Echtzeit-Ethernet Protokoll-Reigen

Profinet

Profinet ist der gesetzte Nachfolger des Industriestandards Profibus. Durch den sich nach 2000 abzeichnende Trend zu Ethernet-basierten Feldbussen und den ersten erfolgreichen Industrie­implementierungen von B&R und Beckhoff wurde auch bei Siemens verstärkt an einer echtzeittauglichen Lösung auf der Basis des IEEE-802.3-Standards gearbeitet.

Ziel war auf der einen Seite die Entwicklung einer neuen durchgängigen Systematik für Automatisierungssysteme und auf der anderen Seite eine deutliche Steigerung der Performance etablierter Feldbussysteme, allen voran Profibus. Mit CBA (Component Based Automation) wurde in einem ersten Schritt der Weg hin zu intelligenten verteilten Automatisierungskomponenten beschritten. Ein zweiter Schritt ist der effiziente Austausch von zyklischen Prozessdaten.

Profinet Conformance Classes

Aufgrund der gesammelten Erfahrungen der Wettbewerber und der sich neu stellenden Anforderungen hinsichtlich Internetfähigkeit von Protokollen und Datenaustausch hat sich Siemens zu einer dreistufigen Skalierung der Kommunikation entschlossen (Bild 10). Die Sicherungsschichten sind angepasst an die spezifischen Anforderungen innerhalb der Kommunikationsaufgaben. Eine Kompatibilität im Datenaustausch ist immer sichergestellt.

Die Conformance Class A (CC-A) wird auch als Non-Realtime bezeichnet. Hier handelt es sich bei dem Kommunikationssystem ausschließlich um konventionelles Ethernet mit dem TCP/IP-Protokoll. Für die Kommunikation zu den Komponenten wird eine RPC-Aufrufschnittstelle implementiert; die Verwendung von Webschnittstellen für Gerätebeschreibungen und Administratoroberflächen ist Teil des Gesamtkonzepts. Auf die anfänglich präferierte DCOM-Technologie musste aufgrund der Änderung der Microsoft-Software-Welt verzichtet werden. Für einfache Visualisierungsanwendungen, Programmierung und Systemadministration ist diese Art der Kommunikation mehr als hinreichend und vor allem bewährt. Nichtdeterministische Zykluszeiten langsamer als 100 ms sind so mit diesem Standardmittel möglich. Um zumindest für die Automatisierungswelt vergleichbare Zykluszeiten vorzuhalten, ist die Conformance Class B (CC-B) oder auch Realtime Class implementiert. Auch die CC-B nutzt konventionelles Ethernet, reichert dieses aber mit fortschrittlichen Technologien an. Zur Optimierung der Performance in den Steuerungsrechnern und Devices wird die Automatisierungsanwendung unter Verzicht des TCP/IP-Protokollstapels direkt über einen eigenen Ethertype 0x8892 angesprochen. Darüber hinaus wird das Profinet-RT-Netzwerk durch einen konsequenten Einsatz von IEEE802.1q-Switches und die damit verbundene VLAN-Technologie querverkehrfrei gehalten. Allein durch diese Maßnahmen ist eine Zykluszeit von typisch 5 ms bis 10 ms bei einem Jitter von unter 10 % zu erreichen. High-Speed-Kommunikation im Sinn dieses Artikels ist erst ab Conformance Class C (CC-C), dem sogenannten Isochronous Realtime, möglich. Wie alle anderen Anbieter kommt auch Siemens nicht mehr an einer Hardware-Unterstützung vorbei. Durch optimierte Switch-Technologie, exakte Zeitsynchronisation über IEEE 1588 und leistungsstarke Kommunikationsprozessoren wird eine Kommunikation möglich, die Zykluszeiten in einem Vielfachen von 31,25 µs zulässt und weitgehend Jitter-frei ist.

Die Stärke der Profinet-Technologie ist die Durchgängigkeit des Engineering und des Betriebs der Kommunikationsgeräte aller Conformance-Klassen in einem Netzwerk. Verbunden mit Infrastrukturkomponenten wie Gateways und Proxies ermöglicht Profinet tatsächlich eine durchgängige Kommunikation über verschiedene Geräteklassen und Hierarchieebenen der Automatisierungspyramide.

Profinet-IRT-Kommunikation

Harte Echtzeit, also entsprechend der Echtzeitkategorie 3, kann bei Profinet nur in der Conformance Class C erreicht werden. Wie bei allen anderen Feldbusanbietern kann nicht auf einen Kommunikationsprozessor verzichtet werden. Aufgrund der Kompatibilität zu den anderen Conformance Classes wird jedoch ein etwas anderer Weg beschritten. Jedes IRT Device hat einen leistungsfähigen Kommunikationsprozessor und Switch-Funktionalität (Bild 11). Über IEEE-1588-Funktionalität sind alle IRT Devices synchronisiert.

Die Echtzeituhr auf der Basis der IEEE-1588-Uhrzeit nimmt das Scheduling der Echtzeitdaten vor. Zu Zykluszeiten mit einem Vielfachen von 31,25 µs wird das IRT-Register bearbeitet (Bild 12); nach Durchlauf der Echtzeitdaten wird auf die VLAN-Switch-Register zur weiteren Prozessbearbeitung zugegriffen. Hierdurch arbeitet ein Profinet-IRT Device wie ein vorausschauender Cut-Through Switch.

Der IRT-Kanal ist damit garantiert, die Bearbeitung der weiteren Telegramme, sowohl RT als auch konventionelles TCP/IP, ist der VLAN-Switch-Funktion überlassen. Es wird schnell deutlich, dass für kürzeste Zykluszeiten kaum Platz für zusätzliche Telegramme ist. Ein entsprechendes Engineering ist damit für High-Speed-Anwendungen notwendig.

Profinet Performance

Im Vergleich zu EtherCAT hat Profinet IRT einen größeren Overhead, da jeder Slave einen eigenen Ethernet-Rahmen erhält (Bild 13). Jedoch wird nicht auf eine Antwort gewartet, sondern der Master versendet alle Slave-Aufrufe als Burst und wartet auf die Antworten. Die minimale Zykluszeit wird sinnvollerweise mit 156,25 µs angegeben, da die Laufzeit der Ethernet Frames Berücksichtigung finden muss.