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Mit dem Ertec 200P lassen sich auch messtechnische Anwendungen mit Profinet realisieren. Eine taktsynchrone Echtzeitübertragung mit 31,25 µs Zykluszeit ermöglicht die Einbindung messtechnischer Geräte direkt in die Automatisierungstechnik

Profinet-Integration mit Highspeed

01  Mit dem neuen Ertec 200P können bei Profinet nun Zyklus­zeiten von bis zu 31,25 µs erreicht werden

02  Der Ertec 200P verfügt neben einem IRT-Switch, integrierten PHY und einer ARM9-CPU über zahlreiche Interfaces zur Realisierung hochperformanter Feldgeräte

03  Für die Entwicklung von Feldgeräten mit dem Ertec 200P steht ab Ende des Jahres ein Evaluation Board zur Verfügung. Dieses ermöglicht eine umfangreiche Evaluierung des Asic noch vor einer eigenen Hardwareentwicklung

Mit der Spezifikation V2.3 erreicht Profinet Zykluszeiten von 31,25 µs. Die Inte­gration dieser Hochgeschwindigkeit in Feldgeräte stellt Hersteller vor eine Herausforderung. Neue Profinet-Technologiekomponenten helfen Geräte­entwicklern, eine zuverlässige Implementierung kostengünstig zu realisieren.

Profinet findet sich mittlerweile in nahezu allen Anwendungsbereichen der Automatisierung, von der Anlagenvernetzung bis hin zur anspruchsvollen Bewegungssteuerung (Motion Control) in Hochgeschwindigkeitsmaschinen. Als Ethernet-basiertes Kommunikationssystem verbindet Profinet hohe Leistungsfähigkeit mit Offenheit für TCP/IP-Kommunikation. So wird Profinet heute ebenso in großen Anlagen der Automobilhersteller wie in hochperformanten Maschinen, zum Beispiel Druck- oder Verpackungsmaschinen, erfolgreich eingesetzt. Steigende Anforderungen der Anlagen- und Maschinenbauer beschleunigen den Umstieg auf Profinet – höchste Kommunikationsleistung ermöglicht schließlich gesteigerte Produktivität und optimale Produktqualität.
Unter der aktiven Mitarbeit vieler Experten verschiedener Mitgliedsfirmen von Profibus & Profinet International wurde daher die Spezifikation V2.3 von Profinet verabschiedet. Diese Spezifikation beschreibt insbesondere ein Performance-Upgrade für die Echtzeitkommunikation mit Isochronous Real-Time (IRT). Bislang ließen sich bei Profinet Kommunikationszyklen von 250 µs erzielen, die für den Großteil heutiger Applikationen mehr als ausreichend sind. Um aber auch die Highspeed-Anforderungen zukünftiger Anwendungen erfüllen zu können, wurden die Mechanismen Fast Forwarding, Dynamic Frame Packing und Fragmentation entwickelt. Damit erreicht Profinet nun Zykluszeiten von 31,25 µs, ohne Kompromisse bei der so wichtigen Offenheit für Standardkommunikation eingehen zu müssen (s. Kasten).

Performance-Upgrade für Feldgeräte
Zu Profibus-Zeiten galten schon Zykluszeiten von 1 ms als Highspeed-Kommunikation. Um bei den kurzen Zykluszeiten von bis zu 31,25 µs das Zusammenspiel aller Automatisierungsgeräte zu gewährleisten, ist es leicht nachzuvollziehen, dass die in den Geräten eingesetzte Hardware höchsten Anforderungen gerecht werden muss. Dabei gilt es nicht nur, alle Geräte im Mikrosekundenbereich zu synchronisieren, sondern auch in jedem Zyklus die eigenen Daten rechtzeitig bereitzustellen und die vom Controller eingehenden Daten zu verarbeiten. Möglich wird das durch den Einsatz von Technologiekomponenten, die einen IRT-Switch inte­griert haben und somit die zeitkritischsten Aufgaben in Hardware erledigen können.
Je nach Anforderung an die Performanz der Kommunikation stehen heute diverse Technologien zur Verfügung, um Profinet in Feldgeräte zu integrieren. Der erste Asic, der nun das Performance-Upgrade von Profinet in Hardware inte­griert, ist der Ertec 200P (Bild 1) von Siemens. Dieser Real-Time-Controller verfügt über einen 2-Port-IRT-Switch, der gleichzeitig Profinet-Kommunikation mit 31,25 µs sowie parallelen TCP/IP-Datenverkehr verarbeitet. Neben dem IRT-Switch verfügt der Ertec 200P über eine ARM-926-CPU mit maximal 250 MHz Taktfrequenz. Sie stellt ausreichend Leistung zur Verarbeitung des Profinet-Stacks und des eigenen Applikations-Codes zur Verfügung. Externer Speicher lässt sich als SDRAM oder asynchrones SRAM anbinden. I²C-, UART-, SPI-Schnittstellen sowie 96 „General Purpose IO“ ermöglichen gleichermaßen individuelle Integrationslösungen für kompakte Peripheriegeräte wie für ressourcenhungrige Motion-Control-Antriebe (Bild 2).

Hohe Leistung, einfache Integration
Wie auch schon bei seinem Vorgänger, dem Ertec 200, sind höchst zeitkritische Abläufe, wie Telegramm-Forwarding oder Echtzeit-CRC-Berechnungen, direkt in Hardware realisiert. Der funktionale Teil von Profinet läuft als Software-Stack auf dem integrierten ARM-9-Kern. Dieser Software-Stack übernimmt die Steuerung der integrierten Module des Ertec, bereitet die IO-Daten logisch auf und stellt eine Anwenderschnittstelle bereit, auf der eine Geräteentwicklung einfach aufsetzen kann. So muss sich der Entwickler nicht mit den Switching-Details der Profinet-Kommunikation befassen und alle Teile des Stacks einzeln adressieren. Vielmehr kann er sich ganz auf seine Geräteentwicklung konzentrieren und seine Applikation einfach mit Profinet verbinden. Auch spätere Updates des Profinet-Stacks lassen sich dank der definierten Anwenderschnittstelle problemlos einbinden.
Für den Ertec 200P wird ein Evaluation Kit verfügbar sein (Bild 3), das der Evaluierung des neuen Asic dient und die Ausgangsplattform für eine Geräteentwicklung bildet. Der Profinet-Stack wird als Sourcecode geliefert, sodass Entwickler Zugang zu allen Schnittstellen erhalten, was beispielsweise die Integration eines eigenen Webservers ermöglicht. Als Echtzeitbetriebssystem findet das Open-Source-System „eCos“ Anwendung. Es verfügt über die notwendigen Echtzeiteigenschaften, um auch mühelos taktsynchrone Applikationen auf dem Ertec zu realisieren.

Leistung und Funktionsvielfalt – die Kombination macht’s
Der Ertec 200P adressiert in erster Linie Geräte, wie An­triebe, die kürzeste Zykluszeiten und einen taktsynchronen Betrieb für eine schnelle Regelung benötigen. Wichtig für Antriebe ist auch die Möglichkeit, das Profidrive- oder ­zusätzlich das Profisafe-Profil zu integrieren. Beides ist beim Ertec 200P nahtlos möglich, sodass Hersteller in ihren Antrieben hohe Funktionsvielfalt auf kleinem Raum bündeln können.
Den meisten Automatisierungsgeräten genügt jedoch eine deutlich langsamere Zykluszeit, da die Reaktion der angeschlossenen Prozesse eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt. Dennoch werden auch diese Geräte häufig in eine hoch performante Installation eingebunden. Um diese nahtlos in die Hochgeschwindigkeitskommunikation integrieren zu können, ist es erforderlich, dass sie als eine Art Durchleiter für IRT dienen. Dabei leiten die integrierten Switche der Geräte IRT-Daten taktsynchron weiter, die Geräte selbst kommunizieren jedoch mit einem langsameren Zyklus. Für Feldgeräte, die in schnellen Applikationen eingesetzt werden, empfiehlt es sich somit, Technologiekomponenten mit integriertem IRT-Switch zu verwenden.
Da Profinet sich bereits erfolgreich im Feld bewährt hat, ist eine große Anzahl an installierten Feldgeräten vorhanden. Natürlich wurde bei der Erstellung der Spezifikation V2.3 darauf geachtet, dass alte und neue Geräte kompatibel miteinander kommunizieren können. So lassen sich auch gemischte Konfigurationen aufbauen und betreiben.

Schnelle Echtzeitkommunikation auch für die Messtechnik
Viele Bereiche der Automatisierung fordern eine höhere Kommunikationsleistung, um die Regelgüte der Applikationen zu verbessern. Insbesondere im Bereich von Stromregelung, bei Motion Control oder für hydraulische Pressen werden kürzeste Zyklen bereits heute benötigt. Doch nicht nur hier, sondern auch in Bereiche, die bislang wegen nicht ausreichender Leistung oder Bandbreite der etablierten Feldbusse von der Automatisierungstechnik getrennt waren, dringt Profinet mit den kurzen Zykluszeiten vor. Insbesondere in der Messtechnik werden heute noch verbreitet Speziallösungen zur Datenerfassung verwendet. Das Performance-Upgrade von Profinet ermöglicht nun, Signale mit bis zu 32 kHz abgetastet in Echtzeit zu übertragen. Dabei ist dank der Synchronität von Profinet auch die Äquidistanz der Abtastschritte immer präzise gewährleistet. So lässt sich beispielsweise bei Prüfständen mit Profinet ein durchgängiges Kommunikationsnetzwerk integrieren, das neben der nötigen Performanz auch die Möglichkeit bietet, große Datenmengen gleichzeitig zu übertragen. Hier ist Profinet der geeignete Kommunikationsstandard, um Automatisierungstechnik und Messtechnik in einem System ohne Einschränkungen zu verbinden.

Mit Hochgeschwindigkeit in die Zukunft
Auf der diesjährigen Hannover Messe wurde bereits mit Samples des Ertec 200P am Stand der PI demonstriert, dass Profinet Zykluszeiten von 31,25 µs erreicht. Ende des Jahres wird der Ertec 200P zusammen mit dem Evaluation Kit verfügbar sein. Damit erhält jeder Gerätehersteller die Möglichkeit, seine Produkte für zukünftige Highspeed-Applikationen mit Profinet optimal auszustatten.

Der Ertec 200P
Der Profinet-Asic bietet folgende Details:
• ARM926EJ-S (125/250 MHz);
• zwei Ethernet-Ports mit integrierten PHY;
• unterstützte Speicher: SDRAM, asynchrones SRAM, Flash;
• verfügbare Schnittstellen: 1 × I²C, 4 × UART, 2 × SPI1, 96 × GPIO;
• Gehäuse: FPBGA400, 17 mm × 17 mm;
• Ball Pitch: 0,8 mm;
• Umgebungstemperatur: – 40 °C bis 85 °C;
• Verlustleistung: max. 1,62 W (inklusive PHY).

http://youtu.be/5-5NfEo44Jc

Performance Upgrade für Profinet
In der Profinet-Spezifikation V2.3 wurden drei Mechanismen definiert, die die Profinet-Kommunikation noch schneller machen.

Fast Forwarding beschleunigt die Weiterleitung von Telegrammen im integrierten Switch eines Geräts. Die Verzögerungen in den Geräten werden dadurch auf zirka 1,2 µs gesenkt.
Dynamic Frame Packing (DFP) optimiert die genutzte Bandbreite, indem die Daten für mehrere in Linie verbundene Geräte in einem einzigen Telegramm übertragen werden. Im Gegensatz zum Summenrahmen-Telegrammverfahren ist DFP ein dynamisches Verfahren, sodass keine leeren Datencontainer transportiert werden.
Fragmentation zerteilt große TCP/IP-Telegramme in kleinere Einheiten, sodass die TCP/IP-Daten auch bei kürzesten Zyklen noch zuverlässig transportiert werden. In den IRT-Switchen werden die Original-TCP/IP-Telegramme wiederhergestellt, sodass Applikationen die Fragementierung verborgen bleibt.

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Autor: Dipl.-Ing. Wolfgang Schroeder ist Produkt-Manager Profinet-Technologie in der Business Unit ­Industrial Automation Systems im Industry Sector der Siemens AG in Nürnberg.