Hochleistungs

HochleistungsEthernet
ABB erweitert ihr Angebot an Ethernet-kompatiblen Geräten
Kai Hansen
Industrielle Leit- und Steuerungssysteme enthalten eine Vielzahl von
eingebetteten Geräten (Sensoren, Aktuatoren, Controller usw.) sowie eine
Reihe von Computern, die zusammen ein physikalisches System steuern.
Solche Systeme sind in der Lage, die verschiedensten Anlagen von
Prozessanlagen über Systeme zur Stromerzeugung und -verteilung bis
hin zu Automobilfabriken und Klimaanlagen in Einkaufszentren zu
steuern. ABB bietet neben Steuerungssystemen eine große Auswahl an eingebetteten Geräten für derartige Anwendungen.
Während für manche Anwendungen nur relativ einfache Steuerungen auf der Basis einzelner, für sich arbeitender Komponenten erforderlich sind, wünschen sich immer mehr Kunden
Geräte, die in der Lage sind, miteinander zu kommunizieren,
Informationen auszutauschen und dem Bediener bei Bedarf
aktuelle Daten und Statusinformationen bereitzustellen.
Die Geräte von ABB zeichnen sich nicht nur durch ihre Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit, sondern auch durch
hervorragende Kommunikationslösungen aus. So können
Kunden die Geräte wählen, die auf die Anforderungen ihrer
Systeme zugeschnitten sind, und sich einer hohen Qualität und
effizienten Kommunikation sicher sein. Da sich auf dem Markt
ein verstärkter Einsatz von Ethernet zur Deckung der Kommunikationsanforderungen abzeichnet, hat ABB ihr Angebot an
Ethernet-kompatiblen Geräten erweitert.
D
er Trend zum Einsatz von Ethernet
in Industrieanlagen ist zum Teil
auf das gute Preis-/Leistungsverhältnis
und die Unterstützung von Lichtwellenleitern, elektrischen Kabeln und drahtloser Technologie in einem einzigen
System zurückzuführen. Ein weiteres
Argument ist, dass die unter Ethernet
verwendeten TCP/IP-Technologien
(transmission control protocol/internet
protocol) eine Netzwerkstruktur ermögABB Technik 2/2006
lichen, die sich auf einheitliche Weise
verwalten lässt. Dadurch wird die Implementierung und Wartung der Infrastruktur rationalisiert, was wiederum
Einsparungen bei Schulungen und
Ersatzteilen ermöglicht.
Die Kommunikationsanforderungen im
Bürobereich unterscheiden sich von
denen in der Industrie ebenso wie verschiedene Industrieanwendungen unterschiedliche Anforderungen an eingebet-
tete Geräte stellen. Eine typische Anforderung in der Industrie ist das Echtzeitverhalten von Regelungen. Ist eine Kommunikationslösung an einem Regelkreis
beteiligt, ist die Reaktionszeit entscheidend. Dabei wird die akzeptable Verzögerung von den physikalischen bzw.
chemischen Gesetzen vorgegeben, die
den geregelten Prozesses bestimmen. So
kann die zulässige Verzögerung bei der
Regelung von Hochspannungs-Wechsel43
Hochleistungs-Ethernet
Technologien mit eingebetteten Systemen
strömen zum Beispiel einige Millisekunden und bei der mechanischen Bewegungssteuerung weniger als eine Millisekunde betragen. Bei chemischen
Reaktionen, die in der Regel wesentlich
langsamer ablaufen, kann dagegen eine
Aktuator-Ansprechzeit von einer Sekunde ausreichend sein. Trotzdem müssen
die Toleranzen strikt eingehalten werden, denn sobald eine chemische Reaktion eingesetzt hat, lässt sie sich schlecht
aufhalten. Kommunikationslösungen
müssen in der Lage sein, diese Anforderungen zu erfüllen, entweder in Form
einer einzelnen Lösung oder durch
Kombination mehrerer Technologien.
Durchsatz und Zuverlässigkeit
Weitere entscheidende Faktoren bei der
Wahl einer Kommunikationslösung sind
der Durchsatz und die Zuverlässigkeit.
Auch hier ergeben sich aus unterschiedlichen Anwendungen unterschiedliche
Anforderungen. Hohe Ansprüche an
den Durchsatz können sich negativ auf
die Echtzeitfähigkeiten eines Systems
auswirken, da bei hoher Belastung eine
Reaktion in Echtzeit behindert werden
kann. Das physikalische Element bestimmt die grundlegenden Möglichkeiten bei der Auslegung einer Kommunikationslösung. Der Einsatz von Ethernet
auf Kupferkabeln und Lichtwellenleitern
ergibt ein äußerst effizientes System mit
geringem Rauschen und daraus resultierenden Verlusten. Die drahtlose Kommunikation ist dagegen weniger zuverlässig, da eine erhebliche Anzahl von
Datenpaketen verloren gehen kann.
Zwar sorgt die Protokollsoftware dafür,
dass verlorene Pakete erneut gesendet
werden, doch dadurch wird der Durchsatz gesenkt und der Echtzeitbetrieb
behindert. Sind andererseits Kabel oder
Lichtwellenleiter stark beschädigt,
gelingt es auch der ausgefeiltesten Software nicht, die Nachricht zu übertragen.
Dieses Problem lässt sich nur durch
physikalische Redundanz in den Kommunikationsschnittstellen in Form eines
zweiten oder dritten Kabels bzw. Lichtwellenleiters lösen. Dies kann allerdings
zu einer komplizierteren Benutzerschnittstelle führen.
In den letzten Jahren wurden im Automatisierungsbereich üblicherweise Feldbusse zum Anschluss von Prozessgeräten und Ethernet zum Anschluss von
Terminals, Servern und Controllern verwendet. Nun geht der Einsatz von Ethernet zunehmend über Controller hinaus
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und immer weiter in den Feldbereich
hinein, was wiederum mit höheren
Anforderungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit
verbunden ist. Dies erfordert gute Ethernet-kompatible eingebettete Lösungen
und standardisierte Protokolle für die
Datenübertragung über Ethernet. Zurzeit
werden mehrere Protokolle verwendet,
von denen FF HSE, PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP und einige speziell
für die Bewegungssteuerung ausgelegte
Lösungen am vielversprechendsten sind.
Während die theoretische Durchsatzgrenze bei der Verwendung von Ethernet mit Kabeln und Lichtwellenleitern
für die meisten Automatisierungsanwendungen kein ernsthaftes Problem darstellt, kann die Leistungsfähigkeit der
zentralen Recheneinheit (CPU) eingebetteter Geräte hingegen zum Engpass
für den Kommunikationsfluss über das
Netzwerk werden. Die effiziente Implementierung des Kommunikationsstacks
in einem eingebetteten Gerät ist allein
entscheidend für den Durchsatz. Wird
der Durchsatz von der mangelnden
Fähigkeit des Prozessors zum Parsen eines
Protokolls beschränkt, kann es sein,
dass die Aufrüstung einer sehr kleinen
CPU in einem Gerät nahe der Feldebene
von 10 Mbit/s Ethernet auf 1 Gbit/s
Ethernet keine Steigerung des Durchsatzes bewirkt. Eine Bandbreite von
10 Mbit/s ist für so ein Gerät meist ausreichend. Um die erforderliche Effizienz
beim Abarbeiten des Stacks zu erreichen, müssen einige der üblicherweise
mit Ethernet-Büroanwendungen verwendeten Standardprotokolle modifiziert oder mit anderen Protokollen
kombiniert werden.
Ein Vergleich der gemessenen Verzögerung bei der Kommunikation über
UDP/IP mit dem Betriebssystemen
Windows XP auf einem 2,5-GHz-Pentium-Prozessor 1 zeigt, dass selbst bei
einem so schnellen Prozessor die meiste
Zeit für die Verarbeitung der Nachricht
im Prozessor benötigt wird. Mit einem
1-Gbit/s-Ethernet ist die Netzwerkverzögerung allerdings sehr kurz.
suchen, gleichzeitig (bzw. nahezu
gleichzeitig) Daten zu senden. Nach
einer quasi zufälligen Wartezeit versuchen beide Geräte erneut, die Daten zu
senden. Treten mehrere solcher Kollisionen nacheinander auf, kommt es zu
einer erheblichen Verzögerung, die sich
nur schwer vorhersagen lässt. Neue
Ethernet-Systeme basieren dagegen auf
einer Vollduplex-Switch-Technologie,
bei der solche Kollisionen ausgeschlossen sind. Jedes Gerät verfügt über eine
eigene physikalische Leitung zu einem
Switch, der alle Datenpakete kurzzeitig
speichert und weiterleitet. Falls der Anschluss zum nächsten Switch oder Gerät
gerade belegt ist, wird das Paket in eine
Warteschlange gestellt und gesendet,
sobald der Anschluss wieder frei ist.
Dies ermöglicht ein Echtzeitverhalten,
das für die meisten industriellen Anwendungen ausreicht. Für anspruchsvollere Anwendungen wie die Bewegungssteuerung können die unteren
Echtzeitanforderungen
Echtzeitanforderungen sind besonders
für «altmodische» Ethernet-Systeme auf
der Basis von Koaxialkabeln oder Hubs
problematisch. Diese Systeme verfügen
über eine Kollisionserkennung, die
dafür sorgt, dass beide Datenpakete
verloren gehen, wenn zwei Geräte verABB Technik 2/2006
Hochleistungs-Ethernet
Technologien mit eingebetteten Systemen
Ebenen des Ethernet-Protoordneten prozessspezifischen
1 Vergleich der gemessenen Verzögerungszeit für die Kommunikation
kolls mithilfe der PROFINET
Schicht sein 3 , die das Komüber UDP/IP mit den Betriebssystemen Windows XP und Linux auf
IRT, EtherCAT, Ethernet POmunikationsprotokoll um eine
einem 2,5-GHz-Pentium-Prozessor [1].
neue Schicht erweitert. Diese
WERLINK und SERCOS III
Stack traversal
Network delay (theoretical minimum)
«Sicherheitsschicht» folgt den
Technologien so verändert
Interrupt related latencies
Regeln der sichereitsgerichteten
werden, dass ein hochgradig
deterministisches ZeitschlitzSoftware-Entwicklung und ist
in der Lage, alle relevanten
system zur Verfügung steht.
125 μs
Windows XP 100 Mbps
Fehler zu erkennen, die im
Alternativ können die stren106 μs
Windows XP 1 Gbps
gen Echtzeitanforderungen für
grauen Kanal auftreten. Bei
0
25
50
75
100
125
die Bewegungssteuerung auch
PROFINET ist dies die PROFIμs
safe-Schicht, und bei EtherNet/
durch eine Synchronisierung
IP die CIP-Sicherheitsschicht.
der lokalen Uhren realisiert
sowie für mechanisierte Industrieanlawerden 2 . Dies ist mit normalen EtherImplementierung
net-Paketen möglich, doch die Umsetgen sind üblicherweise die Stufen SIL 2
Während für manche Produkte eine
zung ist mit einigen Herausforderungen
und SIL 3 erforderlich.
standardmäßige Ethernet-Platine ausverbunden. Ein Knoten wird als «ZeitDie Sicherheit von Ethernet-Systemen
reicht, ist Ethernet bei ABB-Geräten normaster» definiert und liefert Zeitinformakann ebenfalls zertifiziert werden. Da
malerweise in einer speziell konzipiertionen an alle anderen Knoten, anhand
eine Anwendung der Sicherheitsnorm
ten Hardware integriert. Dazu stehen
derer die lokalen Uhren synchronisiert
IEC 61508 auf alle Software- und HardEthernet-kompatible Prozessoren, die für
werden. Die vorherrschenden Standards
warekomponenten eines Ethernet-Sysden Betrieb bei bestimmten Temperatuzur Synchronisierung sind NTP (Nettems nicht praktikabel ist, basiert die
ren oder unter besonderen Bedingungen
work Time Protocol), SNTP (Simple NetSicherheitszertifizierung auf so genannerforderlich sein können, von einer
work Time Protocol) und PTP (Precise
ten „grauen“ Kanälen. Dies kann zum
Reihe von Anbietern zur Verfügung.
Time Protocol, IEEE 1588). Diese StanBeispiel TCP/IP mit einer darüber angeDies sind z. B. PowerPCs von Motorola
dards werden von vielen ABB-Produkoder IBM, ColdFire-Prozessoren oder
ten unterstützt. So unterstützt der indus2 Die strengen Echtzeitanforderungen bei der
ARM-basierte Chips. Die Wahl des Protrielle PLS-Controller AC800M zum BeiBewegungssteuerung können durch Synchrozessors ist abhängig von den funktionaspiel SNTP, und der PicMaster Roboter
nisierung der lokalen Uhren erfüllt werden.
len Anforderungen, wobei viele Varianunterstützt IEEE 1588. Die Hauptursache
ten mit unterschiedlicher Kommunikatifür Ungenauigkeiten bei der SynchroniController
onsunterstützung erhältlich sind. Mittlersierung sind Zeitschwankungen (Jitter)
Empfängt Sensorwerte mit
weile gibt es auch spezielle Chips, die
bei der Ausführung der Software, die
lokalen Zeitstempeln
die verschiedenen Ethernet-Varianten für
die Ethernet-Telegramme beim Entreffen
die Bewegungssteuerung unterstützen.
an einem Knoten mit einem Zeitstempel
Ethernet
Dies sind entweder ASICs (üblicherweiversieht. Deshalb ist es wichtig, dass die
Sensor 1
Sensor 2
se mit einer eingebauten ARM-CPU)
Zeitmarkierung so schnell wie möglich
oder FPGAs, die die Ethernet-Protokolle
ausgeführt wird. Sie sollte innerhalb der
auf den unteren Ebenen realisieren.
ersten Interrupt-Routine für Ethernet
Lokale Uhr
Lokale Uhr
oder sogar noch früher stattfinden, d. h.
SensorSensorDie Zukunft
in der Hardware, bevor das Betriebssyselement
element
Die verstärkte Nutzung von Ethernet ist
tem der eingebetteten CPU die Verarbeiein wichtiger Trend auf dem industrieltung der Nachricht übernimmt. Durch
len Markt. Zwar gibt es bereits eine
eine gute Implementierung der Software
Reihe von ABB-Produkten, die Ethernet
können hierbei einige Mikrosekunden
3 Schichten eines typischen Kommunikationsunterstützen, doch angesichts der wachgewonnen werden, während eine geeigprotokolls
senden Bedeutung von Ethernet wird
nete Hardwarelösung die Genauigkeit
ABB in Zukunft weitere eingebettete
bis auf 100 Nanosekunden senken kann.
Safety
Safety
Geräte entwickeln, um dieses Hochleisapplication
application
Sicherheit
tungs-Kommunikationssystem zu unterStellt das gesteuerte System eine Gefahr
stützen.
Safety layer
Safety layer
für den Menschen oder die Umwelt dar,
Process
Process
verlangt der Gesetzgeber einen Nachlayer
layer
Kai Hansen
weis über ausreichende Sicherheits- und
TCP layer
TCP layer
ABB AS
Notfalleinrichtungen. Diese SicherheitsGray
IP layer
IP layer
channel
Billingstad, Norwegen
systeme müssen internationalen StanPhysical
Physical
[email protected]
dards wie der IEC 61508 entsprechen,
layer
layer
die auf Sicherheitsintegritätsstufen, den
Literaturhinweis:
so genannten SIL-Kategorien (safety
[1] G. Prytz, S. Johannessen: «Real-time PerforEthernet cable/fiber
integrity level) basiert. Für chemische,
mance Measurements using UDP on Windows
and Linux», ETFA 2005.
petrochemische und Offshore-Anlagen
ABB Technik 2/2006
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