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PROFINET IRT: When Real-Time is not enough

Why do I need PROFINET IRT?

Industrial communication protocols such as PROFINET, EtherCAT and Ethernet/IP are classified as real-time communication protocols. These protocols can already achieve cycle times as low as 1 millisecond and jitter between 10 and 100 microseconds.

In some cases, however, even this level of performance isn’t enough. The fact of the matter is: it takes time to transmit and process data. In certain applications, it is critical that this time be precisely synchronized to ensure that production steps are performed correctly.

This is particularly true in motion control, where the demands for speed and performance in data communication have increased to the point where the cycle times of standard real-time PROFINET are no longer fast enough, and other key metrics such as jitter and determinism no longer meet the required standards.

For example, a robotic arm must be in a precisely defined position at a specific time to pick up or process a part. If the arm is even slightly early or late, the process can be severely disrupted. In such cases, the transmission and processing of data must be both fast and reliable.

PROFINET IRT is used wherever standard real-time communication reaches its limits and extremely accurate synchronization at exceptionally high speeds in data communication are required.

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.
How Does PROFINET IRT Work?

PROFINET IRT requires strict determinism in the transmission of specific data packets within the network. This means that data must be received, processed, and forwarded in a precise sequence within a predetermined time frame, without being affected by delays such as network collisions or jitter.

To do this, a PROFINET IRT network allocates specific time slots for handling time-critical data. For instance, if 20% of the network traffic is reserved for IRT communication, i.e., PROFINET IRT, the network traffic is divided into five time segments:

  • One segment is dedicated to IRT communication
  • The remaining four segments are reserved for regular real-time communication

In this case, the network operates as a standard PROFINET network 80% of the time. During the remaining 20%, only PROFINET IRT-relevant data packets are processed, ensuring synchronized and deterministic transmission. While IRT communication is taking place, regular PROFINET data packets are buffered and processed when the IRT time segment is complete.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.
For this system to work effectively, a PROFINET IRT network must meet two essential requirements:
Synchronization across all IRT devices

A consistent synchronization cycle must be maintained across all PROFINET IRT devices. This is managed by a high-precision clock that is shared by all devices. This and additional mechanisms such as the Precision Time Protocol (PTP) are defined in the IEEE 1588 standard. PROFINET IRT extends this standard with the Precision Transparent Clock Protocol (PTCP). PTCP not only maintains a shared clock between PROFINET IRT devices, but also calculates delays between network switches and the associated wiring.

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
Buffering capabilities

Additional circuitry within the network switch is required to buffer any non-IRT Ethernet traffic received during the designated IRT communication time.

PROFINET IRT with Hilscher & netX

In order to meet the requirements of such time-critical data communication, it is necessary to intervene on layer 1 and layer 2 of the OSI model, in particular on the MAC layer. This is necessary so that the network devices can provide the IRT time segments during which the Ethernet communication is converted to a TDMA (Time Division Multiple Access) medium. The rest of the time, during regular PROFINET communication, the data transmission works as a standard CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detect) medium.

Hilscher is one of the few suppliers worldwide to offer PROFINET IRT for controller applications. This is made possible by Hilscher’s netX communication controllers, which are developed together with the corresponding protocol software.

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX enables PROFINET IRT

Hilscher addresses this challenge with its netX technology. The netX controllers feature a unique xC structure on OSI layers 1 and 2. Using these programmable microcontrollers and Hilscher’s PROFINET protocol stack, the behavior of a PROFINET network can be defined on the first two OSI layers.

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

Flexible microcode from Hilscher

A key feature of netX is that this behavior isn’t hardcoded, but can be flexibly adjusted via microcode. With the microcode provided by Hilscher, users have access to the interface between layer 2 and layer 3.

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

If you already have a PROFINET solution in place, the first step is to check whether your hardware is IRT-capable. In most cases, it is not, as both hardware and software must meet specific requirements to transmit data according to the IRT standard. These requirements go beyond what is needed for most industrial applications and are typically only needed in high-performance systems, such as those used in motion control or robotics. Unfortunately, many PROFINET-enabled devices are not compatible with PROFINET IRT. In the worst case, a PROFINET IRT network will have to be treated and developed completely separate from your existing installations.

PROFINET and PROFINET IRT with netX

netX technology makes the transition much easier. The necessary PROFINET IRT configurations are already integrated in our standard PROFINET stack, and every netX communication controller comes with the required xC structure. You don’t need to make any changes to either your hardware or software. All you need to do is configure your network.

The same also applies to other network technologies such as EtherCAT. Thanks to the multiprotocol capability of netX, the same hardware can also support EtherCAT.

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

Different cable lengths introduce additional jitter, a physical property that is unavoidable and requires special attention when implementing a PROFINET IRT network.

For example, a data packet sent over a 10-cm cable will have a shorter transmission time than one sent over a 100-meter cable. These different cable lengths and the resulting jitter during data packet transmission must be taken into account in a PROFINET IRT network to ensure that the controller can properly manage the devices on the network.

Hilscher provides a handy tool called the Topology Editor that allows users to map their plant layout and account for the cable lengths connecting their devices.

What devices are suitable for PROFINET IRT?

Devices that meet the requirements for PROFINET IRT are classified as Conformance Class C (CC-C) as part of the PROFINET certification process. This class covers clocked communication with cycle times as low as 32.5 microseconds. CC-C is the most advanced and demanding conformance class for PROFINET. There are other conformance classes as well: CC-A, the basic class, supports “normal” real-time communication, acyclic real-time transmission, and standard TCP-IP Ethernet. CC-B builds on CC-A by adding support for the Simple Network Management (SNMP) protocol. The classes are cumulative, i.e., CC-C not only supports IRT communication, but also includes all features of CC-A and CC-B.

Hilscher’s netX technology is fully compliant with Conformance Class C, as our PROFINET stack already includes all necessary software functions. On the hardware side, our netX communication controllers are also equipped for IRT applications as standard.

PROFINET conformity classABC
Real-time data exchange with cycle times of up to 1 ms
  •  
  •  
  •  
Alarm and diagnostic functions
  •  
  •  
  •  
Support for network topology
  •  
  •  
  •  
SNMP support 
  •  
  •  
Real-time data exchange with cycle times down to 31.25µs  
  •  

 

Our PROFINET PC cards

PCカードPCI Express - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

拡張温度範囲PCI Express用PCカード - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードMini PCI Expressハーフサイズ - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

アセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

アセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードM.2 2230 Key A+E - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードM.2 3042 Key B+M - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

アセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

M12コネクタ付きアセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードM.2 2242 Key B+M - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードロープロファイルPCI Express -リアルタイム‍・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

NVRAMロープロファイルPCI Expressを搭載したPCカード - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

NVRAM搭載PCカードMini PCI Express - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードMini PCI Express - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

アセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

M12コネクタ付きアセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

NVRAM搭載PCカードおよび拡張温度範囲Mini PCI Express - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

ヒートシンクなしのPCカードMini PCI Express - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

拡張温度範囲Mini PCI Express用PCカード - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードPCI - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードCompactPCI - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

PCカードMini PCI - リアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

アセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

M12コネクタ付きアセンブリインターフェースリアルタイム・イーサネット

PCベースのオートメーション用通信

Our embedded modules for PROFINET

通信モジュール・デュアルポートメモリ - リアルタイム・イーサネット

オートメーション用の柔軟な通信モジュール

通信モジュールSPI - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

オートメーション用の柔軟な通信モジュール

通信モジュール・デュアルポートメモリ - リアルタイム・-イーサネット

オートメーション用の柔軟な通信モジュール

通信モジュールSPI - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

オートメーション用の柔軟な通信モジュール

comX評価ボード

すべてのcomXタイプ用の開発プラットフォーム

netX 90チップキャリア - 事前ロード済みのプロトコルスタック

超小型netX 90デザイン - 十分にテストしてロード済み

メモリ増設netX 90チップキャリア - 事前ロード済みのプロトコルスタック

超小型netX 90デザイン - 十分にテストして事前にロード済み

netRAPID H90評価ボード - リアルタイム・イーサネットおよびフィールドバス

NRP H90-RE\F8D8搭載

メモリ増設netX 51チップキャリア - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

すぐにはんだ付けできるコンパクトサイズのnetXデザイン

netRAPID 51評価ボード - リアルタイム・イーサネット

NRP 51-RE搭載

変圧器内蔵のnetX 52チップキャリア - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

コンパクトサイズですぐにはんだ付けできるnetXデザイン

netRAPID 52評価ボード - リアルタイム・イーサネット

 

交換可能モジュールPCI Express - リアルタイム・イーサネット

配信経路にいつでも取り付け可能

交換可能モジュールSPI - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

配信経路にいつでも取付可能

交換可能モジュール・デュアルポートメモリ - リアルタイム・イーサネット

配信経路にいつでも取付可能

netJACK評価ボード・デュアルポートメモリ

デュアルポートメモリまたはSPI搭載のあらゆるnetJACKに対応

netJACK評価ボードPCI Express

PCI Expressを使用したすべてのnetJACKに対応

光ファイバーケーブル用DIL-32通信IC - PROFINET IOデバイス

光ファイバーケーブルに接続されたシンプルなスレーブデバイスへの通信

ヒートシンクのないDIL-32通信IC - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

独自のホストプロセッサを持たない単純なスレーブデバイスのための通信

DIL-32通信IC -リアルタイム・イーサネット・スレーブ

独自のホストプロセッサを持たない単純なスレーブデバイスのための通信

光ファイバーケーブル付きnetIC評価ボード - PROFINET IOデバイス

光ファイバーケーブル付き評価プラットフォームnetIC

光ファイバーケーブル用DIL-32通信IC - PROFINET IOデバイス

光ファイバーケーブルに接続されたシンプルなスレーブデバイスへの通信

netIC評価ボード - リアルタイム・イーサネット・スレーブ

1つの評価プラットフォームであらゆるリアルタイム・イーサネット・プロトコルに対応

DIL-32通信IC -リアルタイム・イーサネットスレーブ

独自のホストプロセッサを持たない単純なスレーブデバイスへの通信

Our gateways for PROFINET

SPEからRTEへのメディアスイッチ

シングルペア・イーサネット・ネットワークをリアルタイム・イーサネット・プロトコルと接続

イーサネットへのゲートウェイCANopen

シンプルな変換用のコストが最適化されたエントリーレベルのゲートウェイ

ゲートウェイ CC-Link IEフィールドスレーブからPROFNET IOデバイス

CC-Link IE FieldとPROFINET間のデータ結合

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからDeviceNet

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

イーサネット用ゲートウェイPROFIBUS DP

シンプルな変換用のコストが最適化されたエントリーレベルのゲートウェイ

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからリアルタイム・イーサネット

2つのリアルタイム・イーサネットネットワーク間のデータ転送

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからModbus RTU、3964R、またはシリアル(ASCII/プログラム可能)

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

イーサネットへのゲートウェイDeviceNet

シンプルな変換用のコストが最適化されたエントーーレベルのゲートウェイ

PROFINET/PROFIBUSプロキシコネクタ

PROFIBUSスレーブがPROFINETにアップグレード

イーサネットへのゲートウェイシリアル(ASCII)またはModbus RTU

シンプルな変換用のコストが最適化されたエントリーレベルのゲートウェイ

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからCC-Linkスレーブ

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

イーサネットへのゲートウェイCC-Linkスレーブ

シンプルな変換用のコストが最適化されたエントリーレベルのゲートウェイ

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからイーサネット

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからPROFIBUS DP

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

ゲートウェイ リアルタイム・イーサネットからCANopen

要求の厳しい変換に対応するハイエンド・ゲートウェイ

イーサネットLAN PROFINET IOコントローラ

DINレール用LAN制御PROFINET IOコントローラ

イーサネットLANリアルタイム・イーサネットマルチプロトコル

DINレール用LAN制御リアルタイム・イーサネットマスタ

ゲートウェイ PROFINET IOデバイスからSmartWire-DT

SmartWire-DT リアルタイム・イーサネットPROFINETシステムへの接続

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Communication controllers and printed circuit boards are extensively tested at Hilscher in Germany.

当社は産業用通信を実現します。従来のフィールドバスからリアルタイム・イーサネット、そしてクラウドまで。当社のソリューションはマルチプロトコルに対応し、柔軟性と信頼性を備えています。当社のnetXソフトウェアとハードウェアの技術が機能する仕組みと、IIoTプラットフォームであるnetFIELDを使用してマシンデータへのアクセスを可能にする仕組みをご紹介します。

A photo of the male and female customer support phone operator with different internationality
Customer Center / Sales: Hilscher Japan KK

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