Hilscher: PROFINET IRT with Hilscher's netX technology

Warum benötige ich PROFINET IRT?

Industrielle Kommunikationsprotokolle wie PROFINET, aber auch EtherCAT und Ethernet/IP, sind als sogenannte Echtzeit-Kommunikationsprotokolle klassifiziert. Diese Protokolle sind bereits in der Lage, Zykluszeiten bis zu 1 Millisekunde und Jitter von 10 bis 100 Mikrosekunden zu erreichen.

In manchen Fällen reicht das allerdings nicht aus, denn ein Grundsatz bleibt bestehen: Übertragung und Verarbeitung von Daten benötigt Zeit. Und bei einigen Anwendungen ist es essenziell, diese Zeit genau aufeinander abzustimmen, dass Produktionsschritte ordnungsgemäß ausgeführt werden können.

Vor allem im Motion-Bereich sind die Anforderungen an Geschwindigkeit und Performance der Datenkommunikation mittlerweile so hoch, dass sowohl die Zykluszeiten des „normalen“ Echtzeit-PROFINET nicht mehr schnell genug sind als auch andere Kenngrößen wie Jitter und Determinismus nicht mehr entsprechend gegeben sind.

Ein Roboterarm muss beispielsweise zu einer fest definierten Zeit an einer bestimmten Position sein, um ein Bauteil zu greifen oder zu bearbeiten. Ist er auch nur einen kleinen Moment zu früh oder zu spät, kann das einen Prozess empfindlich stören. Daher muss in einem solchen Fall auch die Übertragung und Verarbeitung von Daten schnell und verlässlich sein.

PROFINET IRT kommt überall dort, wo normale Echtzeitkommunikation an ihre Grenzen stößt, also sehr hohe Synchronität und Geschwindigkeit in der Kommunikation von Daten gebraucht wird, zum Einsatz.

Wie funktioniert PROFINET IRT?

PROFINET IRT setzt einen strikten Determinismus in der Übertragung bestimmter Datenpakete innerhalb des Netzwerkes voraus. Das bedeutet, das Daten innerhalb eines bestimmten, vorher festgelegten Zeitraums empfangen, verarbeitet und weitergeleitet werden müssen. Dabei müssen diese Daten in einer strikten Reihenfolge übertragen werden und dürfen nicht durch Verzögerungen z.B. bei Kollisionen im Netzwerk oder Jitter beeinflusst werden.

Damit das bewerkstelligt werden kann, werden bei der Datenkommunikation in einem PROFINET-IRT-Netzwerk bestimmte Zeitslots vorgesehen, in denen diese zeitkritischen Daten verarbeitet werden. Will man z.B. 20% seines Datenverkehrs in einer Anlage für IRT-Kommunikation reservieren, sprich für PROFINET-IRT, wird der Netzwerk-Traffic in fünf Zeitabschnitte unterteilt:

Ein Zeitabschnitt bedient die IRT-Kommunikation
Die restlichen vier Zeitabschnitte sind für die reguläre Echtzeitkommunikation frei

In 80 Prozent der Zeit funktioniert das Netzwerk in diesem Fall wie ein reguläres PROFINET-Netzwerk. Während der restlichen 20 Prozent allerdings werden nur PROFINET-IRT-relevante Datenpakete verarbeitet, um eine synchrone und deterministische Übertragung zu garantieren. Während dieser IRT-Kommunikation werden die Datenpakete der regulären PROFINET-Kommunikation zwischengespeichert und erst nach Beendigung des IRT-Zeitabschnitts verarbeitet.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.

Um das zu gewährleisten, muss ein PROFINET-IRT-Netzwerk zwei grundlegende Voraussetzungen erfüllen:

Synchronität zwischen allen IRT-Geräten

Einen einheitlichen Synchronisationstakt über alle PROFINET-IRT-Teilnehmer hinweg. Dieser wird durch eine geteilte und sehr präzise Uhr zwischen den Geräten bereitgestellt. Dieser und weitere Mechanismen wie das Precision Time Protocol (PTP) sind im IEE-Standard 1588 festgelegt. PROFINET IRT erweitert diesen Standard auf das sogenannte Precision Transparent Clock Protocol (PTCP). Dieses ist nicht nur für eine gemeinsame Uhr zwischen den einzelnen PROFINET-IRT-Teilnehmern zuständig, sondern berechnet auch Verzögerungen zwischen Netzwerk-Switches und der dazugehörigen Verdrahtung.

Möglichkeiten zum Zwischenspeichern

Zusätzliche Schaltungen im Netzwerkswitch, um jeglichen unregelmäßigen Ethernet-Datenverkehr, der während der zeitlich definierten IRT-Kommunikation empfangen wird, zwischenzuspeichern.

PROFINET IRT mit Hilscher & netX

Um die Anforderungen an eine solch zeitkritische Datenkommunikation zu erfüllen, muss bereits auf Layer 1 und 2, also dem MAC Layer, in die Datenübertragung eingegriffen werden. Das ist notwendig, damit die Netzwerkteilnehmer die IRT-Zeitabschnitte bereitstellen können, während der die Ethernet-Kommunikation in ein TDMA-Medium (Time Division Multiple Access) umgewandelt wird. Die restliche Zeit, also während der regulären PROFINET-Kommunikation, besteht die Datenübertragung als normales CSMA-CD-Medum (Carrier Sense Multiple Access – Collision Detect).

Hilscher ist einer der wenigen Anbieter global, welche PROFINET IRT auch für Controller-Anwendungen anbieten. Möglich ist das durch die netX-Kommunikationscontroller, welche von Hilscher in engem Verbund mit der dazugehörigen Protokoll-Software entwickelt werden.

netX ermöglicht PROFINET IRT

Hilscher löst diese Herausforderung mit Hilfe der netX-Technologie. Diese besitzen eine einzigartige xC-Struktur auf den ISO-Layern 1 und 2. Mit Hilfe dieser programmierbaren Microcontroller und dem PROFINET-Protokollstack von Hilscher kann das Verhalten eines PROFINET-Netzwerks auf den ersten beiden ISO-Layern bestimmt werden.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Flexibler Microcode von Hilscher

Die Besonderheit bei netX ist: Dieses Verhalten ist nicht fest einprogrammiert, sondern kann flexibel per Microcode angepasst werden. Mit Hilfe dieses Microcodes, welcher von Hilscher geliefert wird, hat der Anwender Zugriff auf die Schnittstelle zwischen Layer 2 und Layer 3.

Wenn Sie bereits eine PROFINET-Lösung im Einsatz haben, müssen Sie erst einmal prüfen, ob Ihre Hardware IRT-fähig ist. In den meisten Fällen ist Sie das nicht, da sowohl Hardware als auch Software spezifische Anforderungen erfüllen müssen, um Daten IRT-konform transportieren zu können. Da diese Anforderungen über die der meisten industriellen Anwendungsfälle hinausgehen und nur in Hochleistungsanlagen benötigt werden wie zum Beispiel in der Antriebs- oder Robotertechnik, sind viele PROFINET-fähigen Geräte leider nicht für PROFINET IRT geeignet. Im schlimmsten Fall müssen Sie also ein PROFINET-IRT-Netzwerk komplett gesondert von bereits bestehenden Implementierungen betrachten und entwickeln.

PROFINET und PROFINET IRT mit netX

Mit der netX-Technologie ist der Wechsel einfacher. Die notwendigen PROFINET IRT-Konfigurationen sind bereits auf unserem Standard-PROFINET-Stack integriert und jeder netX-Kommunikationscontroller besitzt die notwendige xC-Struktur. Sie müssen weder an der Hardware, noch an der Software etwas ändern. Der Implementierungsaufwand beschränkt sich lediglich auf die Konfiguration des Netzwerks.

Das gilt analog auch für andere Netzwerktechnologien wie EtherCAT. Durch die Multiprotokollfähigkeit von netX kann auf die gleiche Hardware ein EtherCAT

Durch unterschiedliche Kabellängen entsteht zusätzlich Jitter. Diese physikalische Eigenschaft ist unumgänglich und bedarf bei der Implementierung eines PROFINET-IRT-Netzwerkes besonderer Aufmerksamkeit.

Ein Datenpaket, welches beispielsweise über ein 10cm langes Kabel geschickt wird, hat eine kürzere Übertragungszeit, als ein Datenpaket, das über ein 100m langes Kabel geschickt wird. Diese unterschiedlichen Kabellängen und der daraus entstandene Jitter beim Übertragen der Datenpakete muss in einem PROFINET-IRT-Netzwerk bedacht werden, damit ein Controller seine Devices im Netzwerk ordnungsgemäß steuern kann.

Hilscher bietet mit dem Topologie-Editor ein praktisches Tool an, mit dem Anwender den Aufbau ihrer Anlage und die darin vernetzten Geräte mit Ihren Kabellängen einplanen können.

Welche Geräte sind geeignet für PROFINET IRT?

Geräte, die diese Anforderungen erfüllen, werden im Rahmen der PROFINET-Zertifizierung in die Konformitätsklasse C (CC-C) eingeteilt. Diese Klasse umfasst die taktsynchrone Kommunikation mit Zykluszeiten von bis zu 32,5 Mikrosekunden. CC-C ist damit die fortschrittlichste, aber auch anspruchsvollste Konformitätsklasse für PROFINET. Weitere Klassen sind zum einen CC-A, sozusagen die Basis-Konformitätsklasse, welche „normale“ Echtzeit sowie azyklische Echtzeit-Übertragung und Support für Standard-TCP-IP-Ethernet bietet. Zum anderen CC-B, welche zusätzlich noch das SNMP-Protokoll (Simple Network Management) unterstützt. Die einzelnen Klassen bauen aufeinander auf, sodass CC-C zusätzlich zur IRT-Kommunikation sämtliche Funktionen von CC-A und CC-B auf sich vereint.

Die netX-Technologie von Hilscher ist grundsätzlich konform zur Konformitätsklasse C, da unser PROFINET-Stacks bereits alle notwendigen Software-Funktionen erfüllen. Auch hardware-seitig können unsere netX-Kommunikationscontroller standardmäßig für IRT-Anwendungen genutzt werden.

PROFINET-Konformitätsklasse	A	B	C
Real-Time-Datenaustausch mit Zkyluszeiten von bis zu 1ms
Alarm- und Diagnosefunktionen
Support bei Netzwerk-Topologie
SNMP-Support
Real-Time-Datenaustausch mit Zykluszeiten von bis zu 31,25µs

Unsere PC-Karten für PROFINET

CIFX 50E-RE

PC-Karte PCI Express - Real-Time-Ethernet

Kommunikation für die PC-basierte Automatisierung

Serie

PROFINET IRT: Wenn Echtzeit nicht genug ist

PROFINET IRT mit Hilscher & netX

netX ermöglicht PROFINET IRT

Flexibler Microcode von Hilscher

PROFINET und PROFINET IRT mit netX

Unsere PC-Karten für PROFINET

Unsere Embedded-Module für PROFINET

Unsere Gateways für PROFINET