Analogtipp Industrial Ethernet: Echtzeitkommunikation einfach gemacht!

Das Industrielle Ethernet ist eine Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0, die eine Echtzeitkommunikation ermöglicht. Um die Vorteile der deterministischen Kommunikation zu nutzen, muss man wissen, wie man mehrere Protokolle und Softwareplattformen unterstützt und dabei gleichzeitig die Entwicklungszeit und die Größe der Lösung minimiert.

Industrial Ethernet ermöglicht es Steuergeräten, auf Daten zuzugreifen und Befehle von SPSen an Sensoren, Aktoren und Roboter in der gesamten Fabrik zu senden. Das industrielle Ethernet zielt darauf ab, die Hauptprobleme der bestehenden Feldbus/4-20mA-Techniken zu lösen, wie fehlende Interoperabilität sowie ein Mangel an skalierbarer Bandbreite und verfügbarer Leistung am Edge-Knoten.

Ethernet unterstützt höhere Datenbandbreiten mit Übertragungsraten von heute 100 MBit/s und der Option diese auf Übertragungsraten im Bereich GBit/s auszubauen. Ethernet wird seit langem auch außerhalb der Industrie eingesetzt, wobei die vorhandene Wissensbasis weniger Schulungen und eine schnellere Inbetriebnahme ermöglicht.

Mit Ethernet verbundene Remote-IO-Module ermöglichen den Zugriff auf vorhandene Sensoren und Aktoren, die über 4-20 mA und herkömmliche digitale IO angeschlossen sind, über das mit dem Ethernet verbundene Automatisierungssystem, wodurch die Vorteile einer erhöhten Bandbreite, Adressierbarkeit und Digitalisierung realisiert werden.

Echtzeitkommunikation

Der Hauptunterschied zwischen Standard-Ethernet und industriellem Ethernet ist die deterministische Echtzeit-Kommunikation. „Echtzeit“ oder „deterministische Echtzeit“ beschreibt die Übertragung mit einer Zykluszeit < 1 ms. In Applikationen ohne Echtzeit Bei Nicht-Echtzeit-Anwendungen ist die Auswirkung minimal, wenn Informationen, z. B. eine Webseite, nur langsam aktualisiert werden.

Standard-Ethernet arbeitet nach dem Prinzip der bestmöglichen Übertragung, d.h. ein Datenpaket kann innerhalb von Mikrosekunden oder einer Minute ankommen, es kann aber auch nie ankommen. Ja nach Datenverkehr im System kann es verloren gehen oder die Daten können während der Übertragung beschädigt werden. Es gibt keine Garantien für einen erfolgreichen Datentransfer.

Umgekehrt sind die Auswirkungen von verzögerten Aktualisierungen in einer Fertigung erheblich, angefangen von Materialverlusten bis hin zu Personenschäden. Das bedeutet, dass Steuerungen einen Determinismus bei der Paketübermittlung und Timing-Garantien benötigen, um die Aufgabe oder den jeweiligen Prozess stets korrekt auszuführen. Die TCP/IP-Protokolle zur Weiterleitung des Datenverkehrs garantieren diesen Grad an Determinismus von Haus aus jedoch nicht.

Traditionelle Ethernet-Netze lösen dieses Problem, indem sie eine Latenzkontrolle und eine Echtzeiterkennung zum Ethernet hinzufügen. Die Herausforderung dabei ist, dass das Hinzufügen dieser Funktionen eine Modifikation nahezu aller Ebenen des Kommunikations-Stacks erfordert. So muss spezielle Hardware eingefügt werden, um die Latenz zu garantieren. Dies hat dazu geführt, dass einige Anbieter unabhängig voneinander Lösungen für dasselbe Problem entwickelt haben. Der Nachteil: es müssen eine Vielzahl spezialisierter Ebenen für PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT etc. bereitgestellt werden

Multiprotokoll-Industrial-Ethernet mit dem ADIN2299

Bei einer derartig starken Verbreitung von unterschiedlichen Industrial-Ethernet-Protokollen besteht eine flexible Lösung darin, einen Multiprotokoll-Ethernet-Switch wie den FIDO5210 und den entsprechenden vorzertifizierten Kommunikations-Stack zu verwenden.

Der ADIN2299 (RapID Platform Generation 2, EV-RPG2) ist ein vollständiges Multiprotokoll-Ethernet-Modul mit zwei Ports und einer Übertragungsrate von 100 MBit/s. Es integriert zwei Ethernet-PHYs (ADIN1200), den Ethernet-Switch FIDO5210 und eine ARM-Cortex-M4-MCU für den Protokoll-Stack. Abhängig von den Anforderungen des Systems lassen sich diese Komponenten einzeln im Entwurf platzieren. Als verifizierte Standardlösung ermöglicht RPG2 die einfache Integration von Echtzeit-Ethernet-Kommunikation in bestehende oder neue IO-Module sowie in Feldgeräte.

Vorteile des ADIN2299 sind das Vorhandensein einer kompletten und vollständig getesteten Standard-Lösung (getestet und verifiziert mit Datenblatt-Angaben). Der Anwender kann die gewünschte Netzwerksoftware (PROFINET, Ethernet/IP, EtherCAT, POWERLINK, Modbus TCP) vom Entwickler-Portal herunterladen und via Host-Interface installieren (gemeinsame Software-Schnittstelle und Integration der Host-Treiber-Geschwindigkeiten).

Das System lässt sich einfach inbetrieb nehmen, die Vorzertifizierung beschleunigt die Markteinführung. Für Protokoll-Aktualisierungen oder Änderungen sind keine Modifikationen des Host-Anwendungs-Codes nötig. Ein nahtloser Übergang in ein Embedded-Referenz-Design, wenn dies künftig aus Kostengründen nötig ist, ist gegeben. Das Modul bietet eine Fläche von 647 mm² und eine Verlustleistung von 800 mW. (kr)

* Dr. Conal Watterson ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Limerick / Irland. Brian Condell ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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