Ethernet ist in der Industrie mittlerweile auf breiter Front angekommen und hat sich bis in die Feldebene vorgearbeitet. Allerdings: Ebenso wie für die klassischen Feldbusse gibt es im Zeitalter der Digitalisierung auch für Industrial Ethernet physikalische Grenzen. Das Gros der gängige Protokolle erlaubt heute einen zyklischen Datenaustausch mit Feldgeräten im Bereich von unter 100 µs beziehungsweise zum Teil noch deutlich darunter – Ethercat etwa bietet eine Zykluszeit von 31,25 µs und ist damit auch für schnelle Antriebslösungen einsetzbar.

Um nun allerdings noch weiter in die Feldebene bis an die Signalerfassung und Signalgenerierung vorzudringen, bedarf es nach Überzeugung von Thomas Leyrer, System Application Manager bei Texas Instruments (TI), noch kürzerer Zykluszeiten im Bereich von unter 10 µs. Genau diese Grenzen unterschreitet das Protokoll Simple Open Real-Time Ethernet – kurz SORTE –, welches TI in Nürnberg erstmals dem Fachpublikum vorstellt. Leyrer zufolge ermöglicht es künftig einen zyklischen Datenaustauch von 4 µs mit mehreren Teilnehmern. Dabei bietet das SORTE-Protokoll alle bekannten Eigenschaften von Industrial Ethernet wie Topologie-Erkennung, Zeitsynchronisation, Online- Engineering und Diagnose. Einzige Einschränkung: Das Datenaufkommen pro 4-µs-Zyklus ist auf 16 Bytes je Richtung limitiert. 

Der wesentliche Unterschied des neuen SORTE zu existierenden Protokollen liegt laut Thomas Leyrer in der dynamischen Definition, Bearbeitung und Fehlererkennung von Paketen. Während Protokolle wie Ethercat und Profinet mit fest definierten Formaten und Verfahren arbeiten, kann SORTE pro Paket und Zustand bestimmen, welche Parameter zum Einsatz kommen. Mit anderen Worten: Das Weiterleiten der Pakete kann zwischen den Betriebsarten Wiederholer (Powerlink), im Durchlaufverfahren (Ethercat) oder Cut-through (Profinet) gewählt werden.

So funktioniert die Lösung von TI

Um 4 µs Zykluszeit zu erreichen, nutzt die TI-Lösung alle Hardware-Eigenschaften des Ethernet Physical Layer (kurze Paketlänge, kurze Preamble und kurzer Abstand zwischen Paketen) sowie der programmierbaren Data Link Layer aus. Der neue Industrial Ethernet Phy DP83822I von TI unterstützt Pakete mit einem Byte Preamble und einem minimalen Abstand zwischen Paketen von weniger als 200 ns. Das Industrial Commucation Subsystem (ICSS) auf Sitara-Prozessoren verwendet je nach Zustand unterschiedliche Verfahren für das Weiterleiten der Pakete. Auch die Prüfsumme wird der Paketlänge dynamisch angepasst. Gezeigt wird SORTE am Stand von TI anhand einer 4-Achsen-CNC-Steuerung, die Leistungstreiber mit maximaler Schrittfrequenz von 250 kHz paketorientiert ansteuert. Bei dieser Anwendung werden das Schritt- und Richtungssignal sowie die Stromwerte der Treiberstufe digitalisiert und via SORTE-Protokoll übertragen.

Die Umstellung von signalbasierter Ansteuerung und Auswertung von Antrieben auf paketbasierte Verarbeitung bietet Leyrer zufolge wesentliche Vorteile: „Die Störanfälligkeit diskreter Signale in der Nähe von elektronischen Verbrauchern ist eine Fehlerquelle, die durch Paketübertragung mit Prüfsumme eliminiert wird. Zudem reduziert sich der Verdrahtungsaufwand durch die Umstellung von (analoger) Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung auf die bei Ethernet übliche Linien- oder Ringstruktur. Nicht zuletzt lassen sich mit 100-Mbit/s-Paketen wesentlich mehr Daten in beiden Richtungen austauschen als mit fest verdrahteten Steuer- und Messsignalen. Dies ermöglicht etwa eine Schlupferkennung in Echtzeit ohne den Fräsvorgang abbrechen zu müssen.“

Ein weiteres Anwendungsfeld der kurzen Zykluszeit sind Positionsgeber, die heute die Motorposition über RS485-Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung in 10 µs übertragen. Mit dem SORTE-Protokoll ist es nun möglich, mehrere Geber in Linie zu schalten und mit 10-facher Bandbreite mehr Diagnosedaten zu übertragen. Mit 4 µs Zykluszeit für die Positionsdaten sind nicht zuletzt auch schnellere Stromregler einsetzbar oder für sichere Antriebslösungen die Positionswerte redundant übertragbar.

Die Lösung ist auf der TI-Webseite unter TI Designs TIDEP0085 (SORTE Master) und TIDEP 0086 (SORTE Slave) als offener Quellcode mit detaillierter Beschreibung verfügbar. Das Protokoll läuft auf den Prozessorfamilien AM335x, AM437x, AM57xx, 66AK2G und ist für die Implementierung in der Feldebene breit skalierbar.