Echtzeit-Ethernet Protokoll-Reigen

Powerlink

Die österreichische Firma B&R (Bernecker & Rainer Industrie Elektronik) ist der erste Anbieter von optimierter Ethernet-Technologie für High-Speed-Ethernet-Lösungen. Im Herbst 2001 wurde Powerlink V1 der Öffentlichkeit vorgestellt. 2002 erfolgte die Offenlegung der Spezifikation und 2003 wurde der Standard in der EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group), einer Hersteller-offenen Organisation, der Allgemeinheit verfügbar gemacht. Powerlink der ersten Generation nutzte konventionelle Ethernet-Anschaltungen mit einem optimierten Schicht-2-Protokollstapel, einem überlagerten Master-Slave-System und Hubs als Sternkoppler zur Optimierung der Durchlaufverzögerungen im Sternkoppler. Die Anschaltung der Slaves erfolgte in einer pro­prietären Weise; ebenfalls war die Kommunikation zu den Slaves B&R-spezifisch.

Powerlink-Protokolle

Mit Powerlink V2 und der Bemühung um eine Hersteller-offene Implementierung wurden zunehmend offene Standards in der Protokollumsetzung eingeführt. Hierzu gehört eine IEEE802.3-konforme Adressierung der Slaves, eine Integration der TCP/IP-Kommunikation für den Austausch asynchroner Daten und im Besonderen die Nutzung von CANopen als Anwendungs-Layer (Bild 3). Powerlink wird damit offen für die CANopen-Profile und bietet ein alternatives High-Speed-Kommunikationsmedium zu der konventionellen CAN-Anschaltung.

Powerlink bietet zwei unterschiedliche Betriebsmodi. Im „Protected Mode“ wird ein dediziertes Echtzeit-Netzwerk aufgebaut. Es erfolgt ein topologischer Sternaufbau, wobei die Synchronisation durch den Master erfolgt. Das System bildet eine mechanische Einheit, wobei Zykluszeiten kleiner 1 ms erreichbar sind.

Im sogenannten „Open Mode“ ist keine Segmentierung notwendig. Sehr wohl erfolgt aber eine Synchronisation der Teilnehmer über eine konventionelle IEEE-1588-Infrastruktur. Die erreichbaren Performance-Werte sind unterhalb des Protected Mode angesiedelt, lassen aber mit entsprechenden RT-Gateways eine durchgängige Kommunikation über ein ausgedehntes heterogenes Netzwerk zu.

Powerlink-Kommunikation

Ein Powerlink-Netzwerk wird durch einen Master, den sogenannten Managing Node, arbitriert. Ein Kommunikationszyklus besteht aus einem isochronen und einem asynchronen Abschnitt (Bild 4). Im isochronen Abschnitt erfolgt eine exakt während des Engineering determinierte Echtzeitkommunikation. Der Zyklus wird mit einem Synchronisations-Broadcast gestartet. Aufgrund der extrem kurzen Hub-Durchleitezeiten (typ. 500 ns) trifft die Nachricht quasi gleichzeitig bei allen Slaves an. Danach pollt der Master die Slaves.

Nach der Echtzeitkommunikation wird mit einem SoA-Broadcast (Start of Asynchronous Communication) die asynchrone Kommunikationsphase eingeleitet. Hier kann eine konventionelle IP-Kommunikation mit den Feldgeräten durchgeführt werden. In der Echtzeitphase ist die Hub-Durchleitezeit und der Interframe Gap – also der kleinste Abstand zwischen zwei Ethernet-Paketen – von 0,96 µs bei 100 Mbit/s oder 96 ns für Gigabit Ethernet zeitbestimmend.

Zur weiteren Optimierung wurde 2012 durch die EPSG das Poll Response Chaining eingeführt (Bild 5), bei dem der Master alle seine Daten per Poll Response Broadcast auf den Bus legt und die Slaves in der festgelegten Reihenfolge antworten. Bei vielen Teilnehmern ist hierbei eine signifikante Geschwindigkeitszunahme zu erreichen.

Powerlink Performance

Eines der wichtigsten Argumente für Ethernet-basierte Systeme ist die Steigerung der Performance und die Durchgängigkeit durch Unterstützung der TCP/IP-Protokollfamilie. Betrachtet man die Benchmarks der einzelnen RT-Ethernet-Hersteller, dann kann man erstaunliche Dinge feststellen. Jede Nutzerorganisation findet eine Kon­stellation, bei der ihr Bussystem dem des Wettbewerbers überlegen ist. Doch häufig werden Äpfel mit Birnen verglichen. Insgesamt kann man festhalten, dass für jedes RT-Ethernet-System Anwendungsfälle gefunden werden, bei dem es besonders geeignet oder besonders ungeeignet ist. Hier kann dem Anwender nur empfohlen werden, ganz genau hinzuschauen, um dann das System zu verwenden, welches für die spezifische Problemstellung bzw. Systemlösung geeignet ist.

Powerlink ist dann gut geeignet, wenn mittlere Datenmengen (knapp 100 Byte) an hierarchisch flach gegliederte Automatisierungssysteme verteilt werden. Daisy-Chaining ist für Powerlink-Systeme immer ungeeignet; Sternstrukturen unterstützen das positive Betriebsverhalten. Da immer ein Request-Response-Paar mit jeweils einem eigenen Ethernet Frame für die Kommunikation pro Slave erforderlich ist, ist der Overhead bei der Übertragung weniger Bytes extrem ungünstig. Bei der Übertragung von typisch 100 Byte je Slave kann ein günstiges Betriebsverhalten attestiert werden. Bei sehr wenigen Teilnehmern ist eine Zykluszeit von 200 µs mit einem Jitter kleiner 1 µs auch in praktischen Anwendungen möglich. Als Faustformel benötigt ein Powerlink-System etwa 500 µs pro 10 Slaves – quasi unabhängig, ob 1 oder 100 Byte transportiert werden.