Echtzeit-Ethernet

Im Umfeld der Automatisierungstechnik ist der Trend zu beobachten, existierende Feldbusse der ersten Generation durch ein echtzeitfähiges Ethernet zu ersetzen oder zu ergänzen. Das Ziel besteht darin, ein einziges Rechnernetz von der Leitebene im Bürobereich bis hin zu Feldgeräten in industriellen Produktionsanlagen zu schaffen. Dieser Trend wird als vertikale Integration der Automatisierungstechnik^[1] bezeichnet. Ein Hauptproblem liegt darin, dass das weit verbreitete Standard-Ethernet nicht den Anforderungen der industriellen Echtzeit genügt, die isochrone Zykluszeiten von weniger als 1 ms (z.B. für Motion-Control-Anwendungen) verlangen.^[2]

Um Ethernet echtzeitfähig zu machen, werden prinzipiell drei Verfahren^{[3] [4]}angewendet:

1. Modifikation über der TCP/IP-Ebene im OSI-Modell (OSI-Layer 5-7)
2. Modifikation oberhalb der Datensicherungsschicht (über OSI-Layer 2)
3. Modifikation der Ethernet-Schicht selbst (OSI-Layer 1-2)

Je weiter unten in den OSI-Schichten die Modifikation erfolgt, desto eher kann Isochronität erreicht werden. Dies ist erforderlich, um die hohen Echtzeit-Anforderungen der Antriebstechnik zu erfüllen. Das Ziel ist es, die Synchronität von industriellen Anlagen-Teilen nicht mehr wie bisher über eine mechanische Welle, sondern statt dessen über isochrone Datenframes im echtzeitfähigen Netzwerk sicherzustellen. Man spricht in diesem Zusammenhang von dem Prinzip der Software-Welle^[5]. Zur hochpräzisen zeitlichen Synchronisation der versendeten Datenframes hat sich das Precision Time Protocol etabliert.

Andererseits wird durch eine Modifikation des Ethernets auf den unteren Protokoll-Ebenen die Kompatibilität zum Ethernet-Standard unter Umständen reduziert.

Um den erhöhten mechanischen Belastungen wie Staub, Erschütterungen oder Spritzwasser standhalten zu können, werden in der Regel die Standard-Ethernet Stecker und Kabel durch spezielle Industrial Ethernet-Hardware ersetzt.

Realisierungen von echtzeitfähigem Ethernet

Weit verbreitete Umsetzungen von echtzeitfähigem Ethernet können bereits Buszyklen von rund 100 µs erreichen. Dies sind unter anderem^[6]:

• EtherNet/IP
• Profinet
• Ethernet Powerlink
• SERCOS III
• EtherCAT
• VARAN

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.fh-hannover.de/fileadmin/media/doc/serv/events/WS_07_08/vde_symposiumn.pdf Vertikale Integration in der Automation – von der Feldebene zur Unternehmenssteuerung
2. ↑ Ein Framework für echtzeitfähige Ethernet-Netzwerke in der Automatisierungstechnik mit variabler Kompatibilität zu Standard-Ethernet
3. ↑ http://www.felser.ch/download/FE-TR-0507.pdf Real-Time Ethernet – Industry Prospective
4. ↑ J. Jasperneite: Echtzeit-Ethernet im Überblick In: Automatisierungstechnische Praxis (atp) Nr. 3, 2005, ISSN 0178-2320, S. 29–34.
5. ↑ http://www.frankdopatka.de/eth/eth_teil1.pdf Vorlesungsunterlagen der Veranstaltung Ethernet und Netzwerke der Automatisierungstechnik an der FH Köln, Abt. Gummersbach
6. ↑ http://www.realtime-ethernet.de/