· Ein neuer Ansatz zeitsynchrone, verteilte Steuerung (CIP Sync und CIP Motion)
Im Gegensatz zu einigen auf dem Markt befindlichen Echtzeitsystemen auf Ethernetbasis, die ein Echtzeitsegment gegenüber dem Rest der Welt über spezielle Gateways mehr oder weniger stark abschotten müssen, z.B. Powerlink, EtherCat, SynqNet, SERCOS III, Profinet IRT, sind derartige Maßnahmen bei der Echtzeiterweiterung von EtherNet/IP nicht nötig. Damit bleibt der entscheidende Vorteil der Ethernetwelt erhalten, nämlich die Durchgängigkeit und das von vielen Anwendern geforderte Nebeneinander von mehreren Protokollen (HTTP, FTP, SNMP etc.). Es sind keine speziellen Verfahren nötig und auch die zusätzlichen Kosten (Hardware und Konfiguration) von Gateways entfallen. Grundlage der Erweiterung von EtherNet/IP zu einem harten Echtzeitsystems hin ist zunächst einmal eine Uhrensynchronisation nach IEEE 1588 (Precision Time Protocol) [3]. Abbildung 3 zeigt das Zusammenwirken von CIP und anderen Protokollen auf der Basis von TCP/IP und UDP/IP. Bei Anwendungen mit geringer Anforderung an die Genauigkeit der Uhrensynchronisation kann man ohne Hardwareunterstützung auskommen; man erreicht dann eine Synchronisationsgenauigkeit in der Größenordnung von 5#10 µs, je nach Leistungsfähigkeit der Prozessorsysteme. Bei höheren Anforderungen an die Synchronisationsgenauigkeit ist die zusätzliche Hardwareunterstützung nötig, mit der der genaue Zeitpunkt des Versands einer Nachricht erfasst werden kann. Damit ist eine Synchronisationsgenauigkeit von unter 1 µs (typisch 100 ns) möglich. Mittlerweile gibt es bereits eine Reihe von Ethernet-Chips, die diese Unterstützung eingebaut haben, so dass keine zusätzlichen Bauelementekosten anfallen. In jedem Fall schließt die Uhrensynchronisation eine Kompensation der Laufzeiten mit ein, so dass die genannten Synchronisationsgenauigkeiten Absolut- und nicht nur Relativwerte sind. Abbildung 3: Implementation von IEEE 1588 innerhalb von CIP Sync Mit dieser Methode bekommen alle Geräte eine einheitliche Zeitbasis, so dass alle Aktionen (Erfassung der Eingänge, Setzen der Ausgänge) hochsynchron erfolgen können. Der Austausch der Informationen kann dann losgelöst von einem streng einzuhaltenden Übertragungszyklus erfolgen. Der Aktionsdeterminismus wird dadurch ohne Nachrichtendeterminismus erreicht und ein System somit für die Übertragung anderer Nachrichten geöffnet. In einem schwach ausgelasteten Ethernetsystem funktioniert dieses Prinzip ohne zusätzliche Maßnahmen; alle Nachrichten werden rechtzeitig den Empfängern zugestellt. Nimmt die Buslast jedoch zu, so kann es vorkommen, dass einzelne zeitkritische Nachrichten nicht rechtzeitig dem Empfänger zugestellt werden. Damit bei höherer Buslast auch alle zeitkritischen Nachrichten rechtzeitig am Ziel ankommen, wird eine Rahmenpriorisierung nach IEEE 802.3:2002 verwendet [4]. Im Switch wird derart priorisierten Rahmen eine vorrangige Weiterleitung garantiert, aber gleichzeitig nach wie vor allen anderen Rahmen eine Übertragung ermöglicht. Eine spezielle Abschottung eines Echtzeitsegments über Gateways ist damit nicht mehr nötig und auch der Parallelbetrieb von CIP Sync-Geräten und beliebigen anderen TCP/IP-basierten Geräten ist weiterhin möglich. Damit erlaubt ein EtherNet/IP-System mit CIP Sync die Realisierung einer durchgängigen Automatisierungsstruktur, die sich sowohl für herkömmliche Maschinensteuerungen eignet, als auch die Anforderungen von schnellen, koordinierten Bewegungssteuerungen problemlos erfüllt wie sie z. B. in der Verpackungsindustrie vorkommen. Da diese Echtzeiterweiterung nicht an die Verwendung bestimmter Chips gebunden ist, ist in Zukunft eine problemlose Migration hin zu einer schnelleren Übertragungsphysik und damit zu einem leistungsfähigeren System möglich ohne ein komplettes Redesign der Geräte. Auch ein gemischter Betrieb wie heute bei 10/100 MBit/s-Geräten ist machbar. Abbildung 4: Auswirkung der Rahmenpriorisierung Auf der Basis von CIP Sync werden nun mehrere Kommunikationsprofile erarbeitet, mit denen eine Reihe von Anwendungen sehr komfortabel bedient werden können wie z.B. Zeitstempelung von Eingangsdaten zum verteilten Erfassen einer Ereignisreihenfolge (Sequence of Events Recording), synchronisiertes Setzen von Ausgängen oder koordinierte Bewegungssteuerung. Als erstes wird die koordinierte Bewegungssteuerung (CIP Motion) realisiert. Auf der Basis von CIP Sync entsteht ein Kommunikationsprofil, welches die Steuerung von Bewegungen mit einfacher Antriebssteuerung bis hin zu komplexen Servoantrieben zur Realisierung von Applikationen mit Elektrischer Welle oder Elektrischem Getriebe ermöglicht. Dabei werden neben der traditionellen Master/Slave-Steuerung auch verteilte Konzepte unterstützt, bei denen die Koordination der Bewegungen zwischen den einzelnen Antrieben ohne eine übergeordnete Instanz erfolgt. Weiterhin entsteht eine sehr weitgehende Unterstützung von dynamischen Konfigurationen, so dass Antriebe im laufenden Betrieb hinzugefügt oder entfernt werden können
· Zusammenfassung
EtherNet/IP mit seinen derzeitig verfügbaren Geräten erlaubt den Aufbau von deterministischen Steuerungssystemen im Millisekundenbereich ohne Abschottung zu herkömmlichen TCP/IP-basierten Netzwerken. Die Echtzeiterweiterung CIP Sync mit CIP Motion erweitert den Anwendungsbereich dieser Steuerungen hin zu Synchronisationsaufgaben im Sub-Mikrosekundenbereich. Auch hierbei bleibt die Koexistenz mit herkömmlichen TCP/IP-basierten Systemen ohne spezielle Gateways vollständig erhalten mit der Möglichkeit, in Zukunft problemlos auf schnellere Übertragungsmedien für noch leistungsfähigere Systeme überzugehen.
