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Mit Priority-Channel robustes Industrial Ethernet betreiben

Bild 1. Neben dem zyklischen Echtzeitverkehr finden sich auf dem Ethernet noch viele andere Protokolle, sodass es zu Lastspitzen kommen kann, die allerdings den zyklischen Verkehr nicht stören dürfen

Bild 2. Priority-Channel am Beispiel des Fido 1100-Kommunikationscontrollers

Feldgeräte in heterogenen Umgebungen, wie beispielsweise im Anlagenbau, stellen hohe Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit und Determinismus, die ein normaler Ethernet-Controller nicht erfüllen kann. Deswegen hat Innovasic einen Kommunikationscontroller entwickelt, mit dem sich der Jitter der Echtzeitkommunikation auch unter hoher Netzwerklast in den Bereich weniger Mikrosekunden drücken lässt.

Unter dem Überbegriff Industrial Ethernet versteht man alle Protokolle, die sowohl auf Ethernet nach IEEE 802.3 im weitesten Sinne aufbauen als auch industrielle Echtzeitanforderungen erfüllen. Dabei ist die Definition von Echtzeitanforderungen je nach Anwendungen zum Teil unterschiedlich. So werden in der Fertigungsindustrie und in vielen Anwendungen im Maschinenbau zum Beispiel Reaktionszeiten im Bereich von einigen wenigen ms, in einigen Applikationen bis herunter zu 1 ms erwartet. Im Gegensatz zur Bürowelt können nennenswerte Abweichungen davon nicht toleriert werden.
Entstanden ist Industrial Ethernet aus dem Wunsch, das Medium Ethernet vom Büro bis in die Fabrikhalle zu nutzen. Neben einem reduzierten Lernaufwand spricht auch die Möglichkeit einer durchgehenden Kommunikation für diesen Ansatz. Dann könnte man parallel zum Echtzeitverkehr auf eine Device-Website zugreifen oder Produktionsdaten direkt zwischen Steuerung und Planungssystem austauschen.
Tatsächlich hat sich unter dem Begriff Industrial Ethernet allerdings eine Reihe unterschiedlicher Protokolle gesammelt. Die Vielfalt entsteht, wie schon zu Zeiten der Feldbusse, aus unterschiedlichen Herangehensweisen und Anforderungen sowie aus firmenpolitischen Gründen. Eine Übersicht über die Protokolle gibt die Norm DIN EN 61784-3 (VDE 0803-500).

Unterscheidungsmerkmale
Diese Protokolle lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Zum einen gibt es Protokolle, die zwar Ethernet nutzen, aber nicht mehr uneingeschränkt kompatibel mit der bestehenden IT-Welt sind. Man könnte hier auch von Feldbussen sprechen, die als unterste Übertragungsschicht Ethernet verwenden. In diese Gruppe fallen Protokolle wie Varan oder Ethercat. Bei diesen Protokollen kann zwar auch noch normaler TCP/IP-Verkehr, zum Beispiel Internet, durchgeleitet werden, oft aber nur noch dann, wenn der Echtzeitkanal aktiviert ist. Der TCP/IP-Verkehr fährt dann „huckepack“ auf dem Echtzeitprotokoll mit oder bekommt von ihm Bandbreite zugewiesen. Diese Protokolle benötigen zumeist eine spezielle FPGA oder Asic-basierte Hardware.
Dem gegenüber stehen Industrial-Ethernet-Protokolle, die sich das Medium Ethernet mit der hergebrachten Kommunikation aus dem TCP/IP-Umfeld teilen. Hier sind die wichtigsten Vertreter Profinet RT und Ethernet/IP. Man könnte diese Protokolle auch als kooperative Industrial-Ethernet-Protokolle bezeichnen, da TCP/IP-Verkehr jederzeit ohne besondere Vorkehrung möglich ist.

Vorteile von kooperativen Protokollen
Die Vorteile kommen besonders bei heterogenen Anwendungen zum Tragen, wie sie unter anderem im Anlagenbau zu finden sind. Hier wird eine Vielzahl von verschiedenen Geräten und Anwendungen am gleichen Medium betrieben. Nicht alle diesen Anwendungen können oder sollen mit einem Industrial-Ethernet-Protokoll abgebildet werden. Ein Beispiel dafür sind Qualitätsdaten, wie Temperaturen, Drücke oder Drehmomente, die automatisch erfasst und unabhängig von der Steuerung auf einem Server protokolliert werden. Ein anderer Fall ist die Klimasteuerung einer Produktionshalle, die sich über das gleiche Netz, aber mit einem anderen Protokoll, zum Beispiel Bacnet, völlig unabhängig betreiben lässt (Bild 1).
Ein großer Vorteil ist hier die Kooperation, also dass Kommunikation bereits laufen kann, obwohl die Steuerung inaktiv ist, zum Beispiel bei der Umrüstung. Dabei ist es möglich, auf die Webseite eines Roboters zuzugreifen, um Stör- und Wartungsmeldungen auszulesen. Ein anderes Gerät bekommt vielleicht gleichzeitig ein Update über FTP. In einer Fertigungsstraße mit vielen Dutzenden oder gar Hunderten von Geräten ist das ein unschätzbarer Vorteil.

Zykluszeiten und Determinismus
Damit die Kooperation funktioniert, ist die vorhandene Bandbreite zu teilen. Es gilt sicherzustellen, dass der zyklische Echtzeitverkehr nicht nur mit brauchbaren Zykluszeiten aufwartet, sondern dass er diese auch mit minimalen Abweichungen einhält. Die Abweichungen von der nominalen Zykluszeit wird als Jitter bezeichnet.
Die im IT-Bereich anzutreffenden Protokolle sind normalerweise auf maximale Bandbreitennutzung ausgelegt. Vereinfacht ausgedrückt: Es ist beim Laden zum Beispiel einer Webseite egal, ob der Vorgang andere Protokolle behindert. Hauptsache, die Seite wird schnellstmöglich angezeigt. Dementsprechend versuchen Browser, wie Internet Explorer oder Firefox, die Bandbreite durch Öffnen mehrerer Kanäle gleichzeitig besser auszunutzen. Dabei sind zwei Dinge von Vorteil:
• Die Verwendung von 100 Mbit/s Full Duplex und
• Standard Ethernet hält bereits Mechanismen bereit, um Verkehre zu bevorzugen.
Tatsächlich ist 100-Mbit-Ethernet sehr leistungsfähig: Nutzt man die Paketlänge voll aus (was normalerweise nicht der Fall ist), passen über 8 000 Pakete zu je 1 500 Byte pro Sekunde und Richtung über das Medium. Viele Pakete, wie die zyklischen Steuerdaten, sind oft viel kleiner und nehmen dadurch weniger Bandbreite ein.

Priorisierung mit Quality of Service
Damit wichtige Echtzeitverkehre zuverlässig im Netz Vorrang bekommen können, wurde in der IEEE 802.1Q das sogenannte VLAN-Tag eingeführt. In diesem Stempel wird eine Priorität eines Pakets zwischen 0 (niedrige Priorität) und 7 (hohe Priorität) markiert. Der Fachbegriff ist Quality of Service, kurz „QoS“. Der Hintergrund waren dabei weniger industrielle Echtzeitanforderungen, sondern das, was die IT für eine Echtzeitanwendung hält, also zum Beispiel Video- oder Sprachübertragungen. Aber der Mechanismus lässt auch Raum für industrielle Anwendungen. So verwendet beispielsweise Profinet diesen Mechanismus explizit.
Pakete, die mit dem „QoS“-Tag markiert sind, werden in Switches und Routern bevorzugt weitergeleitet. Sie können sozusagen „Abkürzungen durch das Netz“ nehmen. Deswegen ist es wichtig, auf qualitativ hochwertige Switches und Router zu setzen, die „QoS“ unterstützen. Dadurch können Industrial-Ethernet-Protokolle Zykluszeiten bis hinunter zu 1 ms zuverlässig mit dem Medium Ethernet realisieren.

Übertragungsverhalten
Die Bandbreite für den zyklischen Echtzeitverkehr lässt sich auch mit einen üblichen Mikrocontroller realisieren, da die Hardware einer Ethernet-Schnittstelle gemeinhin nur auf seine eigene Adresse („Media Access“-[MAC-]Adresse) hört. Der Controller sieht also nur den für ihn bestimmten Verkehr – bei einem Feldgerät eben nur den Echtzeitverkehr.
Allerdings gibt es Ausnahmen: Zum einen existieren die sogenannten Broadcast-Pakete, die von allen angeschlossenen Geräten verarbeitet werden müssen. Zu den Protokollen, die diese Eigenschaft nutzen, gehören insbesondere Dienste, die mit der Vergabe von Internet-Adressen in Zusammenhang stehen, wie DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) oder ARP (Address Resolution Protocol). Diese sind auch nicht nur beim Start eines Geräts, das eine IP-Adresse benötigt, aktiv. Adressen, die durch ARP und DHCP aufgelöst werden, haben eine begrenzte Lebensdauer. Nach dem Ablauf der Lebensdauer (üblich sind Werte zwischen fünf Minuten bei ARP und einigen Stunden bei DHCP) müssen die Adressen bestätigt oder neu beantragt werden, was wieder einen Broadcast benötigt.

Bei einer großen Installation, die mit einem firmenweiten Netzwerk verbunden ist, können auf diese Weise viele Hundert Broadcasts in kurzer Zeit auftauchen, die von dem Feldgerät verarbeitet werden müssen. Das bedeutet zeitraubende Task-Wechsel und am Ende kann genau das den Jitter der Echtzeitdaten in die Höhe treiben.
Zum anderen gibt es den freundlicheren Bruder des Broadcast, den Multicast. Wird ein Paket an eine Multicast-MAC-Adresse gesendet, so wird dieses von allen angeschlossenen Geräten empfangen, falls sie so konfiguriert sind, dass sie auf diese Adresse hören. Multicasts kommen beispielsweise für das Publish/Subscribe-Protokoll von Ethernet/IP zur Anwendung. Die zyklischen Echtzeitdaten lassen sich an eine Gruppe versenden und von allen Teilnehmern dieser Gruppe gleichzeitig empfangen. Auch Profinet benutzt diese Gruppenadressierung für einige Dienste.
Da allerdings selbst moderne Mikrocontroller Multicasts nicht einfach und sicher filtern können, ist oft eine Softwarebehandlung nötig. Auch wenn sie auf niedrigster Softwareebene in einem Interrupt behandelt werden, erzeugt diese Behandlung gegebenenfalls erneut Jitter.

Komfort verursacht Jitter
Eine weitere Quelle von Jitter ist der gewonnene Komfort. Durch Industrial Ethernet gibt es immer mehr Feldgeräte, die einen Ethernet-Anschluss haben und unter Umständen auch eine Webseite zur Verfügung stellen oder auf die ein Techniker per Telnet oder SSH zugreifen kann, um den internen Status abzufragen. Diese Verkehre, so selten sie sein mögen, verändern das Zeitverhalten eines Knotens und erhöhen den Jitter. Es ist durchaus denkbar, dass eine Echtzeitverbindung verloren geht, weil ein Servicetechniker eine Geräte-Webseite aufruft. Das könnte zum Stillstand einer ganzen Produktionszelle führen. Um das zu vermeiden, muss der Komfort womöglich abgeschaltet werden. Es bleibt dann aber immer noch der durch Broad- und Multicasts verursachte Jitter.

Technologie der priorisierten Kanäle
Dieses Problem löst der Kommunikationscontroller Fido 1100 von Innovasic. Er hat drei Eigenschaften, die ihn von normalen Mikrocontrollern unterscheiden und die ihn für Industrial-Ethernet-Anwendungen, insbesondere für Ethernet/IP und Profinet RT, prädestinieren:
• Hardware Multitasking,
• programmierbare Peripherie und
MAC-Adressen-Filter.
Das Zusammenspiel dieser Eigenschaften bezeichnet Innovasic als Priority-Channel-Technologie.
Mit seinen fünf Hardware-Tasks kann Fido1100 innerhalb von wenigen Taktzyklen einen Taskwechsel durchführen, der sich um Größenordnungen schneller als bei Software-Multitasking vollzieht. Die Verwaltung der Tasks ähnelt aber einem Software-Echtzeitbetriebssystem (RTOS). So bietet der Kommunikationscontroller ein auf Prioritäten basiertes Multitasking und Hardware zur Synchronisation sowie Kommunikation der Tasks. Er hat sozusagen ein Hardware-RTOS, sodass er schnell auf unterschiedliche Aufgaben reagieren und dabei auf die Prioritäten achten kann.

Die Ethernet-Schnittstelle ist mithilfe von kleinen IO-Prozessoren (UIC, Universal IO Controller) in Software realisiert. Das ermöglicht es, die Filterung von Paketen an besondere Anforderungen anzupassen oder auch Verkehre schon bei der Vorverarbeitung in der UIC in verschiedene Bahnen zu lenken. Damit kann Fido 1100 – noch bevor das Hardware-RTOS gefordert wird – Wichtiges (Echtzeitverkehr) vom Unwichtigeren trennen und diese Verkehre gezielt an separate Tasks weiterleiten. Das Hardware-RTOS sorgt dafür, dass die Echtzeitdaten priorisiert bearbeitet werden können. Der Zugriff auf die Webseite des Gerätes verlangsamt sich eventuell, aber er stört die Echtzeitverarbeitung nicht mehr. Der Komfort bleibt erhalten.
Ein MAC-Adressen-Filter mit 256 Einträgen hilft dabei, dass auch nur die Verkehre angenommen werden, die wirklich für das Feldgerät gedacht sind. Das können sowohl Gruppen- als auch Einzeladressen sein. Damit kann der Kommunikationscontroller sicherstellen, dass nicht relevante Gruppenadressen keine Störungen und damit Jitter verursachen.

Fazit
Man könnte sagen, dass Fido 1100 das Konzept der Quality of Service bis in das Feldgerät hinein trägt (Bild 2). Damit lassen sich Feldgeräte realisieren, die hohe Anforderungen bei Zuverlässigkeit und Determinismus erfüllen. Das ist vor allem in heterogenen Umgebungen wichtig, wie sie im Anlagenbau vorzufinden sind. Innovasic hat gezeigt, dass der Jitter der Echtzeitkommunikation damit auch unter hoher Netzwerklast in den Bereich weniger Mikrosekunden gedrückt werden kann – bei Profinet auf etwa 10 μs bei einer Zykluszeit von zum Beispiel 2 ms. Abweichungen von bis zu mehreren Millisekunden, wie sie teilweise in heutigen Geräten noch gefunden werden, sollten damit der Vergangenheit angehören.
Innovasic bietet im Rahmen der Rapid-Platform verschiedene Industrial-Ethernet-Produkte auf Basis des Fido 1100-Mikrocontrollers an. Unter anderem Entwicklerlösungen, Referenzdesigns, Module und Gateways.

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Autor: Volker Goller ist Field Application Manager für die Innovasic Inc. in Aachen.