Die Anforderungen der Industrie-Applikationen an die Ethernet-Vernetzung: Standard-Ethernet, spezielle Ethernet-Lösungen der Automation und Standard- Ethernet mit Fast Track Switching im Vergleich.

Anfang des Jahrhunderts wurden die Beschränkungen der Feldbus- Technologie zunehmend offenkundig. Gleichzeitig zeigten sich die Stärken des Ethernet auch für das Einsatzgebiet Industrieautomation immer deutlicher. Konkret: Standard-Ethernet, welches auf Mainstream-Technologie aufsetzt, zeigte sich selbst im Industrie-Umfeld als ausreichend robust und weist mittlerweile ein nahezu unschlagbares Preis-Leistungs- Verhältnis auf. Standard-Ethernet-Geräte- Interfaces besitzen die Vorteile der Second- Source-Absicherung bei gleichzeitiger Garantie, den Technologie-Anschluss nicht zu verpassen.

Zudem sind heute fast alle embedded Mikroprozessoren mit integrierter Ethernet-Schnittstelle kostengünstig verfügbar und vereinfachen das Gerätedesign. Hierdurch wurde der Standard „Ethernet“ entscheidend gestärkt. Auch das weltweite Angebot mit Ethernet ausgestatteter Automatisierungsgeräte ist mittlerweile unübertroffen und wächst weiter an; Switches sowohl mit geringer als auch mit hoher Port-Anzahl sind verfügbar und ermöglichen dem Anlagenund Maschinenbauer den flexiblen Aufbau seiner Automatisierungslösung.

Standard contra „changed“

Größter Knackpunkt eines Standard- Ethernet-Einsatzes in der Industrie ist das geforderte Echtzeit-Verhalten der Automatisierungs- Applikationen: Die Nachrichten müssen in garantierten Zeiten übertragen werden! Dieser geforderte Determinismus führte zur Entwicklung von Speziallösungen, den so genannten changed Ethernet-Systemen mit folgenden Nachteilen:

• In den meisten Fällen muss spezielle Hardware - meist in Form von ASICs - in alle beteiligten Automatisierungsgeräte integriert werden.
• Die Freiheit der Topologiewahl, wie gemischte Stern-, Baum- und Linienstrukturen, ist im Gegensatz zum Standard- Ethernet meist sehr eingeschränkt. Im Standard-Ethernet gibt es nur die Einschränkungen, welche durch die maximal zulässigen Nachrichtenlaufzeiten vorgegeben sind.
• Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Ethernet-Ports ist im Falle der Spezialisten meist stark limitiert, und aufgrund ihrer speziellen Ausprägung ist eine Neutralität zu Netzwerkprofilen, wie es eine der Stärken des Standard-Ethernet ist, leider nicht gegeben.

Den Spezialisten muss andererseits zugute gehalten werden, dass - neben der Stärke auf dem Gebiet des Determinismus - ihre Eignung für Safety-Anwendungen besonders ausgeprägt ist.

Im Falle des Standard-Ethernet besteht die Gefahr, dass nicht rechtzeitig übermittelte sicherheitsrelevante Nachrichten zur Absteuerung der Maschine beziehungsweise Anlage führen. Was die vertikale Integration von Automatisierungslösungen betrifft, lassen sich die Lösungen mit beiden Vertretern nur mit Abstrichen realisieren: Im Falle der Spezialisten (changed Ethernet) sind häufig Gateways nötig, welche die Durchgängigkeit der Datenverfügbarkeit beschränken. Standard-Ethernet dagegen zeigt sich prädestiniert für die vertikale Integration. Jedoch führt sehr oft der geforderte Determinismus zur Abschottung bestimmter Maschinen- beziehungsweise Anlagenteile, welche sich kontraproduktiv im Sinne einer vertikalen Integration zeigen.

Eine bisher wenig beachtete Anforderung an das Ethernet in der Industrieautomation ist der gesamte Komplex der Verfügbarkeit der einzelnen Verbindungen. Bei hoher Ethernet-Last zu Spitzenzeiten kann es zu Nachrichtenverlusten kommen, die in der Automatisierung nicht tolerierbar sind. Preiswerte Standard- Switches und Switches der Spezialisten zeigen sich aufgrund kleiner integrierter Speicher als wenig sturmresistent. Dies tritt dann besonders häufig auf, wenn mehrere Nachrichtenwege in einem Switch in eine Linienstruktur gebündelt werden müssen.

Die Harting-Lösung

Harting hat es sich mit „Fast Track Switching“ zur Aufgabe gemacht, die gewachsenen Vorteile des Standard-Ethernet zu erhalten und gleichzeitig die Stärken der Spezialisten zu integrieren – „Keine Chips im Automatisierungsgerät“ und „Aus den Fehlern der Ab- und Ausgrenzungen in der Entstehungszeit der Feldbusse lernen“, waren die Mottos. Es sollte der 2006 in die Diskussion getragene Gedanke „eines Netzwerkes ohne Gateways in allen Anwendungen eines Unternehmens“ Umsetzung finden. Technologisch betrachtet, sind es im Wesentlichen drei Schritte, die die Lösung beschreiben:

1. Der Fast Track Switch identifiziert Automatisierungstelegramme.
2. Die identifizierten Automatisierungstelegramme werden im Cut-through-Verfahren beschleunigt.
3. Der „Fast Track“ im Switch bietet Automatisierungstelegrammen eine Art Überholspur, welche die verzögerungsfreie Weiterleitung des Telegramms garantiert.

Im Detail: Da ein „Quality of Service“- Queuing nach IEEE 802.1q die Konkurrenz zwischen hochprioren IT-Telegrammen und Automatisierungstelegrammen nicht auflöst, müssen Automatisierungstelegramme wie Profinet RT, Ethernet/IP oder Modbus TCP identifiziert werden. Dies ermöglicht die absolute Bevorzugung von Automatisierungstelegrammen in der Queue des Switch.

Dies ist ein notwendiger Schritt auf dem Weg zum Determinismus, leider aber noch kein hinreichender: Größte Verzögerungen im Switch treten immer dann auf, wenn niederpriore IT-Telegramme gerade den Ausgangs-Port eines Switch belegen, der auch Ziel des Automatisierungstelegramms ist. In solch einer Situation muss das Automatisierungstelegramm solange in der Queue warten, bis das IT-Telegramm vollständig vom Switch weitergeleitet wurde. Bei einer maximalen Ethernet- Telegrammlänge von 1500 Byte können Wartezeiten von bis zu 125 μs auftreten. In stark ausgeprägten Linienstrukturen addieren sich diese Wartezeiten pro Switch rasch zu einigen Millisekunden auf. Anders bei Fast Track Switching: Um eine verzögerungsfreie Weiterleitung von Automatisierungstelegrammen zu ermöglichen, werden IT-Telegramme, die zu einem Stau am Ausgangs-Port führen, vorübergehend suspendiert.

Konkret wird der Sendevorgang des IT-Telegramms geordnet unterbrochen, das Automatisierungstelegramm fast verzögerungsfrei weitergeleitet und anschließend das zwischengespeicherte IT-Telegramm erneut gesendet. Die Suspendierung von Telegrammen ist derart gestaltet, dass keine störenden Effekte im Netzwerk auftreten und Fast Track Switches zusammen mit Standard-Switches verträglich projektiert werden können. Der Abbruch von Telegrammen ist absolut konform zur IEEE 802. Ist beispielsweise ein Netzwerk mit Hubs projektiert, so treten sehr häufig Kollisionen auf. In diesen Fällen ist der Telegramm-Abbruch die Regel, welcher aber vom aufgespannten Netzwerk beherrscht wird.