Unter einer Vielzahl von ethernetbasierten Kommunikationssystemen, die sich aufgrund ihrer Echtzeit-Fähigkeit für die Automatisierung eignen, setzen heute Lösungen wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink oder Sercos III die Standards. Obwohl alle der genannten Systeme Ethernet zur Grundlage haben, unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer spezifischen Merkmale und Einsatzbereiche erheblich. In der Automatisierungstechnik wird für Anlagen mit hoher Systemdynamik in der Regel eine sehr präzise Synchronisation der einzelnen Teilnehmer sowie kurze Übertragungszeiten der Prozessdaten gefordert.

Während in der Fabrikautomation häufig nur wenige Prozessdaten pro Zyklus übertragen werden, fordert beispielsweise die Schiffsautomatisierung eine deterministische Übertragung auch größerer Datenmengen über ausgedehnte und flexible Netzwerk-Topologien hinweg. Kommt eine der genannten Ethernet- Lösungen aufgrund passender Leistungs-Charakteristika in die nähere Auswahl, stellt sich die nächste Frage: Wie flexibel lässt sich das System implementieren?

Die Antwort hierauf hängt maßgeblich von der Plattformunabhängigkeit und dem Einsatz standardisierter Hardware- und Softwarekomponenten ab. Powerlink beispielsweise setzt auf normkonformer Ethernet-Hardware nach IEEE 802.3u (100 Mbit/s) auf und die Protokollschicht ist ausschließlich in Software realisierbar.

Herstellerübregreifende Konfiguration möglich

Heutige Powerlink-Systeme erreichen Kommunikationszyklen von weniger als 200 μs bei einer Synchronisationsgenauigkeit (Jitter) zwischen den Teilnehmern von weniger als einer Mikrosekunde. Ethernet-Hubs ermöglichen dabei die Realisierung von Baum-, Stern- oder Linientopologien. Für die Systemintegration des Protokolls spielt neben den Echtzeit-Übertragungseigenschaften die Konfigurierbarkeit der Geräte eine wesentliche Rolle. Powerlink greift hierzu auf das bereits bei CANopen bewährte Objektemodell zurück, welches jeden Netzwerk-Konfigurationsparameter, aber auch die Applikationsdaten über einen eindeutigen Index/Subindex adressierbar macht.

Jedes Gerät verfügt damit über ein in der DS301-Spezifikation der EPSG (Ethernet Powerlink Standardisation Group) festgelegtes Objektverzeichnis. Auf diese Weise ist eine herstellerunabhängige Konfiguration der Kommunikationseigenschaften jedes Gerätes möglich. Da auch die von der CiA (CAN in Automation) verwalteten Geräteprofile direkte Anwendung finden, ist sogar eine herstellerübergreifende Konfiguration der Anwendung bei entsprechend standardisierten Geräten möglich. Was die Implementierung von Managing Nodes und Controlled Nodes betrifft, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Beispielsweise sind für Anwendungen mit niedrigeren Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit oder Zykluszeit reine Software-Implementierungen möglich. Kommt es jedoch in einer Anwendung auf eine Synchronisation der Teilnehmer von weniger als einer Mikrosekunde und kürzeste Kommunikationszyklen im Bereich von 200 μs an, so lassen sich optimierte Co-Prozessoren oder ASICs beziehungsweise FPGAs für die Verarbeitung des Protokolls einsetzen.

Implementierung rein in Software

Die rein softwarebasierte Implementierung bietet eine flexible und weitgehend plattformunabhängige Möglichkeit zur Entwicklung von Managing oder Controlled Nodes. Die entscheidenden Vorteile dieses Ansatzes, der sich beispielsweise mit PC-basierenden Plattformen und unterschiedlichen Ethernet-Controllern realisieren lässt, liegen in der Hardware-Unabhängigkeit und der kostengünstigen Umsetzung.

Allerdings gilt es hier zu beachten, dass die für die Verarbeitung des Protokolls notwendige Rechenzeit von der Anwendungs-CPU zur Verfügung gestellt werden muss. Kommerzielle Softwarelösungen bieten eine einfache Portierbarkeit der Software in unterschiedliche Hardware- und Software- Umgebungen. Adaptionsschichten für die Anpassung an ein Betriebssystem oder Ethernet-Controller ermöglichen zudem die optimale Nutzung der plattformspezifischen Leistungsfähigkeit.

Implementierung auf Basis von Co-Prozessoren oder ASICs

Der Einsatz von Co-Prozessoren zur Implementierung einer Powerlink-Schnittstelle in anwenderspezifischen Geräten bietet sich an, wenn das Gerät bislang über keine eigene Ethernet-Schnittstelle verfügt oder die Anwendungs-CPU zu wenig freie Ressourcen hat. In diesen Fällen eignen sich bevorzugt kostengünstige SoC-Komponenten (System-on-Chip) als Co-Prozessoren. Diese übernehmen die gesamte Verarbeitung des Protokolls und benötigen nur wenige externe Hardwarekomponenten wie etwa Spannungsversorgung und Oszillator zur Integration.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Lösung sind die geringen Implementierungskosten von weniger als fünf Euro. Nachteil ist, dass die Integration einer Hub-Logik meist nur mit zusätzlichen Komponenten möglich ist. Zudem stehen oft nur serielle Schnittstellen wie SPI oder RS232 zur Anbindung der Applikations-CPU zur Verfügung, wodurch sich erhöhte Latenzzeiten für den Transfer der Prozessdaten zwischen Anwendung und Co-Prozessor ergeben.

Implementierung per FPGA

Die Buszugriffssteuerung erfolgt bei Powerlink durch den zentralen Managing Node.

© Ixxat, Altera

Neben höchster Flexibilität liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil von Implementierungen auf Basis eines FPGAs darin, dass echtzeitkritische Aufgaben in VHDL-Logik abgearbeitet werden können. Dadurch ergibt sich gegenüber softwarebasierten Lösungen eine enorme Leistungssteigerung. So kann zum Beispiel die Response-Zeit auf weniger als 1 μs im Vergleich zu softwarebasierten Lösung mit typischerweise mehr als 5 μs verringert werden. Eine Vorverarbeitung echtzeitkritischer Protokoll-Elemente in VHDL-Logik reduziert nicht nur die Belastung der Anwendungs-CPU gravierend, sondern führt auch zu einem geringen Jitter von unter 100 ns.

Mit hohen Integrationsdichten und - verglichen mit der erreichbaren Leistungsfähigkeit - niedrigen Kosten bieten moderne FPGAs eine optimale Plattform für kleine und leistungsstarke Implementierungen. Die Integration zusätzlicher Funktionen, wie eines Hub oder einer schnellen parallelen Schnittstelle zur Anwendungs- CPU, zählen zu den weiteren Vorteilen, die sich bei der Verwendung von FPGAs ergeben. Das Industrial Ethernet Modul von Ixxat beispielsweise basiert auf einem Cyclone- III-FPGA von Altera und umfasst neben der Verarbeitung des gesamten Powerlink-Protokolls für Controlled Nodes einen Ethernet-Hardware-Beschleuniger und einen 2-Port-Hub.

Über das im FPGA integrierte DPRAM kann die Anwendungs-CPU mittels parallelem Adress-/Datenbus (oder alternativ über SPI) Prozessdaten mit bis zu 30 MBit/s synchronisiert mit dem Feldbus austauschen. Anwenderspezifische Erweiterungen oder Formfaktoren sind über ein Design- In der Modul-Lösung möglich, die mit gleicher Hardware- und Softwareschnittstelle neben Powerlink auch andere Realtime-Ethernet-Protokolle wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Sercos III oder Modbus/TCP unterstützt. Zudem ist eine Implementierung besonders leistungsfähiger Managing Nodes auf Grundlage eines FPGA-basierten Design-Ins möglich.

Redundant und sicher

Doppelte Kabelredundanz und Ringredundanz garantieren einen fehlerfreien Netzwerkbetrieb auch bei Kabelunterbrechungen.

© Ixxat, Altera

Durch die vollständige Offenlegung des Protokolls haben Firmen die Möglichkeit, zusätzliche Anforderungen einzubringen, um häufig auftretende Problemstellungen bei ihren spezifischen Anwendungen über ein standardisiertes Protokoll zu lösen. Beispiele solcher Erweiterungen sind Lösungen für hochverfügbare und sichere Übertragungssysteme. Besonders im Bereich der Energie-Erzeugung oder des Transportwesens darf der Ausfall einer Komponente eines Kommunikationssystems nicht zum Ausfall der gesamten Anwendung führen.

Da der Managing Node den Buszugriff für alle Teilnehmer steuert, würde sein Ausfall den Ausfall des Netzwerks zur Folge haben. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren spezifiziert, das jedem Gerät im Netzwerk erlaubt, die Funktionen des Managing Node im laufenden Betrieb zu übernehmen. Das Detektions- und Übernahmeverfahren beim Ausfall des aktiven Managing Node kann soweit optimiert werden, dass lediglich ein Kommunikationszyklus ausfällt, bevor die vollständige Buskommunikation wieder möglich ist.

Zusammen mit den ebenfalls spezifizierten Leitungsredundanz-Mechanismen lässt sich somit ein hochverfügbares und robustes Kommunikationssystem aufbauen. Mit dem Powerlink-Safety-Protokoll steht weiterhin eine eigenständige Protokollschicht zur Realisierung von SIL-3-Anwendungen zur Verfügung. Diese ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von sicheren und nicht sicheren Daten über dasselbe Kommunikationsmedium.

Hierbei ist der Einsatz des Safety-Protokolls nicht nur auf Powerlink- Netzwerke begrenzt, sondern auch über Protokolle wie CAN oder andere Standard-Ethernet-Protokolle übertragbar. Der vom TÜV vorzertifizierte Safety-Stack dient als Basis zur Entwicklung entsprechender Sicherheitskomponenten. Auf der Grundlage spezifischer Erfahrungen aus der Implementierung des Safety-Protokolls bietet beispielsweise Ixxat Dienstleistungen und Integrationsunterstützung rund um das Thema Sicherheitstechnik an.

Autor: Stefan Kraus ist Produktmanager bei der Firma Ixxat.

Die Eckdaten von Powerlink

Den präzisen Determinismus der Kommunikation mit dem ansonsten nur bedingt echtzeitfähigen Ethernet-Protokoll erreicht Powerlink durch ein überlagertes Buszugriffsverfahren. Bei diesem Master/Slave-Verfahren teilt der Kommunikationsmaster (Managing Node) den Slaves (Controlled Nodes) den Buszugriff der Reihe nach zu. Dadurch werden Datenkollisionen auf dem Ethernet vermieden und somit eine zyklische und deterministische Kommunikation aller Busteilnehmer sichergestellt.

Der Managing Node unterstützt bis zu 240 Controlled Nodes innerhalb eines Kommunikationssegments. Hierzu fordert er die Controlled Nodes in einer vorkonfigurierten Reihenfolge zum Senden ihrer Prozessdaten innerhalb der so genannten isochronen Phase auf. Diese isochrone Phase wird mit der voreingestellten Zykluszeit durch den Managing Node wiederholt, was zu einem vorhersagbaren Übertragungsverhalten der Echtzeit-Daten führt. Ein weiterer Vorteil des Protokolls liegt in der Querkommunikation, also der Fähigkeit der Controlled Nodes, direkt miteinander zu kommunizieren.

Neben den in Echtzeit zu übertragenden Prozessdaten sind nicht-echtzeitkritische Dienste, wie zum Beispiel Diagnosedaten, über beliebige Ethernet-Protokolle übertragbar. Hierfür stellt der Managing Node in jedem Kommunikationszyklus eine asynchrone Übertragungsphase bereit. Durch den im Voraus planbaren Ablauf des Bus-Zyklus lässt sich die Bandbreite optimal zwischen echtzeitkritischer Datenübertragung und asynchronen Diensten aufteilen.