Warum braucht man das? Die Tatsache, dass Ethernet mit heutiger Store and Forward Switching-Technologie keinen Determinismus besitzt, ist seit Jahren bekannt. Die Automatisierung braucht aber Determinismus. Dieser wird bis heute mit einem hohen Preis erkauft. Unterschiedliche Konzepte versprechen, ausreichende Performance für die Automatisierung zu erzielen. Die Verfahren reichen dabei von einer restriktiven Segmentierung mit kleinen Automatisierungszellen bis hin zu chipbasierten, modifizierten Ethernet-Telegrammen. Wo das Verfahren der Segmentierung im Prinzip die Offenheit der Kommunikation aufrecht erhält, beinhaltet es aber zugleich die aufwendigste Planung und die höchsten Risiken im Betrieb, da das grundsätzliche Problem nicht gelöst wird. Proprietäre Ethernet-Protokolle sind zum Teil zwar einfach in der Anwendung, dafür aber nicht offen in der Kommunikation. Damit erzeugen sie indirekt auch eine Abschottung in Zellen mit spezifischer Hardware. Der Anwender hatte also bei Ethernet die Wahl zwischen unterschiedlichen Lösungen mit jeweils erheblichen Nebenwirkungen wie erhöhten Kosten für Planung oder Komponenten. Der Anwender braucht aber eine einfache, offene und damit zugleich kostengünstige Lösung. Diese Lösung bietet Harting-Fast Track Switching. Bei der Fast Track Switching-Technologie werden die Automatisierungs-Telegramme des unveränderten Ethernetprotokolls im Switch erkannt und vor den automatisierungsfremden Telegrammen übertragen. Daraus resultiert ein garantiertes Echtzeitverhalten. Die Netzkomponente liefert die passende Automatisierungsperformance ohne Planungsaufwand und Restriktionen bei der Topologie. Und auch das Endgerät ist frei von profilspezifischen Chips. Damit ist Harting der entscheidende Schritt hin zu einem universellen Automation IT-Netzwerk gelungen. Automation IT in allen Ebenen Durchgängigkeit einer Automation IT-Kommunikationsplattform bedeutet, Ethernet in den drei Ebenen – der Büro-Ebene, der Leit- und Steuerebene und der Feldebene – einzusetzen. Standard-IEEE802.3-Ethernet hat sich in der Leit- und Steuerebene und darüber bereits erfolgreich etabliert: Die Freiheitsgrade und die Flexibilität von Ethernet sprechen für sich, ebenso das immense Produktsortiment, das zur Verfügung steht. Dem gegenüber konnte Standard-Ethernet den in der Automatisierung geforderten Determinismus in der Feldebene bis heute nicht erfüllen. Folgerichtig haben sich dort spezielle Netzwerklösungen gebildet, die sich diesen Determinismus auf die Fahne geschrieben haben. Dies wurde zweifellos auch erreicht. Allerdings sind diese speziellen Netzwerksysteme in ihrer topologischen Gestaltung stark eingeschränkt und spezielle Hardware (Chip) ist in jedem Endgerät erforderlich. Harting hat sich daher folgender Herausforderung gestellt: Wie kann man erreichen, dass Standard-Ethernet mit allen seinen Vorzügen auch in der Feldebene für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen eingesetzt werden kann? Determinismus in der Feldebene Die Ursachen für den mangelnden Determinismus von Standard-Ethernet werden in Bild 2 deutlich. Hier wird beispielhaft eine Linie mit 16 Switches betrachtet, die von einem Automatisierungsprotokoll durchlaufen werden. In dem Diagramm sind die Durchlaufzeiten der Protokolle aufgetragen. Die Verzögerungszeiten werden durch die Anzahl der Switches auf der Strecke bestimmt. Noch gravierender ist jedoch der Einfluss der Netzwerklast, z.B. IT-Kommunikation, welche zusätzlich zur Automatisierungskommunikation dasselbe Netzwerk nutzt. So bietet Standard-Ethernet durchaus sehr kurze Telegrammlaufzeiten. Wie das Beispiel jedoch zeigt, können auch Durchlaufzeiten von 2ms und mehr auftreten. Um die Anforderungen der geforderten Performance in der Automatisierung einordnen zu können, ist das vergleichbare Zeitverhalten von heute in der Automatisierung üblichen Feldbussen ebenfalls in der Abbildung dargestellt. Würden die Telegrammlaufzeiten von Standard-Ethernet immer im Bereich der Feldbusperformance liegen, wären die Anforderungen für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen weitestgehend abgedeckt. Die Realität zeichnet aber ein anderes Bild. Im Wesentlichen können drei Gründe für Verzögerungen im Netzwerk identifiziert werden: 1. IT-Protokolle mit gleicher oder höherer Priorität nach IEEE802.1q konkurrieren mit Automatisierungsprotokollen in den Queues. 2. Store-and-forward-Mechanismen führen zu hohen Durchlaufzeiten in den Switches, da jedes Telegramm erst vollständig einlaufen muss, bevor es weitergesendet werden kann. 3. Belegen IT-Protokolle Ausgangsports, die auch von Automatisierungsprotokollen beansprucht werden, so treten gravierende Verzögerungen auf. Zum letzten Punkt ein Beispiel, das in Bild 3 veranschaulicht wird: Hier sendet eine Steuerung ein Automatisierungsprotokoll zu einem Antrieb über eine Strecke von drei Switches. Da der Ausgangsport des ersten Switches gerade von einem IT-Protokoll belegt ist, muss das Automatisierungsprotokoll \’warten\‘, bis das IT-Protokoll den Switch vollständig verlassen hat. Da das IT-Protokoll sich schon im Sendevorgang befindet, kann die Priorisierung nach IEEE802.1q hierauf keinen Einfluss mehr nehmen. Ist das IT-Protokoll nun 1.500Byte lang, so kann dieser \’Wartevorgang\‘ in jedem Switch ca. 120µs betragen. In einer ausgedehnten Linientopologie können sich die Zeiten schnell auf mehrere Millisekunden addieren. Auf der Strecke ist es dem Automatisierungsprotokoll nicht mehr möglich, das IT-Protokoll zu überholen. Fast Track Switching in der Feldebene Der grundlegende Lösungsansatz von Harting besteht aus drei wesentlichen Punkten: 1. Der Switch muss ein Automatisierungsprotokoll erkennen, damit es vor allen anderen Protokollen und mit höchster Priorität weitergesendet werden kann. 2. Diese erkannten Automatisierungsprotokolle werden nun im Cut-Through-Verfahren beschleunigt gesendet, während für alle anderen Protokolle weiterhin im store-and-forward-Mode gilt. 3. IT-Protokolle müssen von Automatisierungsprotokollen überholt werden können: Belegt ein IT-Protokoll den Ausgangsport, den auch das Automatisierungsprotokoll beansprucht, so wird der Sendevorgang kontrolliert beendet. Damit ist der Weg für die Automatisierungsprotokolle frei. Sobald der Port dann wieder frei ist, wird das zwischengespeicherte IT-Protokoll erneut gesendet. So entsteht eine Art Überholspur für die Automatisierung, ein Fast Track. Um Fast Track Switching zu realisieren, wurden die Standard-Switch-Funktionen um die oben genannten drei Eigenschaften erweitert und dabei die volle Kompatibilität zum Standard IEEE802.3 sichergestellt. Die Performance wurde deutlich gesteigert. Sie übertrifft das Standard-Ethernet- und auch das vergleichbare Feldbusverhalten. Außerdem sind die Telegrammlaufzeiten deterministisch reproduzierbar. Somit steht jetzt auch in der Feldebene eine Standard-Ethernet-Lösung für Maschinen und Anlagen zur Verfügung. Fazit
Harting Stiftung & Co. KG (Holding)
