Motion über Standard-Ethernet

Motion über Standard-Ethernet

Die Steuerung koordinierter Antriebe war bisher mit EtherNet/IP nicht möglich. Mit der Markteinführung von CIP-Motion-Produkten lässt sich EtherNet/IP jedoch nun auch in diese Richtung erweitern.

Auf der Basis vorhandener Standards lassen sich die Eigenschaften von EtherNet/IP so erweitern, dass auch anspruchsvolle Motion-Aufgaben in Echtzeit gelöst werden können, ohne dass man die gängigen Ethernet-Standards verlässt. Dadurch bleibt ein Betrieb von Standard-Ethernet-Geräten im gleichen Netz ohne Zusatzmaßnahmen weiterhin möglich. Auch eine Geschwindigkeitserweiterung, beispielsweise durch Gigabit-Backbones, ist kein Problem, da CIP Motion nicht an bestimmte Datenraten gebunden ist. Unter Standard-Ethernet versteht man im Allgemeinen ein Kommunikationssystem auf der Basis der IEEE-801.2-Normen, ergänzt durch IP-Adressierung und die Transportschichten TCP und UDP. Diese Basis wird für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, so auch von EtherNet/IP und Modbus TCP im Bereich der Fabrikautomatisierung. Daneben gibt es in der Fertigungsautomatisierung eine Reihe von Kommunikationssystemen (Profinet, Ethercat, Powerlink, Sercos III), die zur Erreichung der gewünschten Echtzeitfähigkeit stark in die unteren Schichten von Ethernet eingreifen, so dass die Kommunikation mit anderen Systemen auf der Basis von TCP/IP und UDP/IP nur über Gateways möglich wird. Dabei ist nicht das einzelne Gateway zwischen Fabrik und Verwaltungsbereich das Problem, sondern die Tatsache, dass Büro- und Fertigungswelt immer stärker miteinander verzahnt werden und dass viele Lösungen aus der Bürowelt auch in den Fertigungsbereich vordringen. Um die Kostensenkungen durch Massenproduktion aber auch in der Fertigungswelt nutzen zu können, ist es nötig, diese neuen Ansätze möglichst unverändert in die Fertigungswelt einzuführen. EtherNet/IP bietet hier eine Lösung, die auf Standard-Ethernet aufsetzt, dennoch aber eine Echtzeitfähigkeit bietet, mit der sich auch hochpräzise Motion-Anwendungen problemlos lösen lassen.

Echtzeit durch synchronisierte Uhren

Oft wird Ethernet noch als kollisionsbehaftetes System ohne Echtzeitfähigkeit angesehen. Seit sich jedoch Vollduplex-Switche durchgesetzt haben, gibt es keine Kollisionen mehr. Darüber hinaus hat die Weiterentwicklung des Ethernet zu höheren Datenraten (100MBit/s, 1GBit/s und mehr) zu erheblichen Durchsatzsteigerungen geführt. Alle weiteren Ausführungen setzen eine Ethernet-Infrastruktur mit mindestens 100 MBit/s und Vollduplexbetrieb voraus. Damit wird die Transportzeit für eine Nachricht in erster Linie dadurch bestimmt, dass sich alle Nachrichten im Netzwerk die Bandbreite teilen müssen. Auf dieser Basis lässt sich zum Beispiel mit EtherNet/IP ein Echtzeitverhalten erzielen, das vergleichbar ist mit dem von gängigen Feldbussystemen, aber es bleibt, wie auch bei den meisten Feldbussen, noch reichlich Jitter bei der Übertragung von Nachrichten, so dass auf dieser Basis kein Motion-Betrieb möglich ist. Was kann man nun tun, ohne die Basis des Standard-Ethernet (TCP/IP, UDP/IP, jeder Host sendet, wann er möchte) zu verlassen? Der wichtigste Aspekt in diesem Zusammenhang ist das Echtzeitverhalten der Applikation, das dadurch hergestellt wird, dass man einen allgemein gültigen Zeitbegriff, also synchronisierte Uhren, einführt. Alle Aktionen werden dann auf die Zeit dieser Uhren ausgerichtet. So lassen sich alle Echtzeitkriterien erfüllen. Als Synchronisationsverfahren kann auf die internationale Norm IEEE 1588 zurückgegriffen werden. Dadurch gelingt es, im gesamten Steuerungssystem eine einheitliche Zeit vorzuhalten. Aktionen des Gesamtsystems werden nicht mehr vom Empfangs- oder Sendezeitpunkt einer Nachricht bestimmt, sondern von einer in der Nachricht eingebetteten Zeitmarke.Alle Eingangsdaten bekommen einen Eingangsstempel, der bei deren Erfassung erzeugt wird, alle Ausgangsdaten erhalten einen Gültigkeitszeitpunkt, der besagt, wann diese Daten anzuwenden sind. Der genaue Übertragungszeitpunkt spielt damit nur noch eine untergeordnete Rolle, die Übertragung muss lediglich rechtzeitig abgeschlossen sein. Auch dazu wird nun bei EtherNet/IP auf bekannte Verfahren zurückgegriffen, die in der Ethernet-Welt unter dem Begriff Quality of Service (QoS) bekannt sind. Auf dieser Basis lässt sich sicherstellen, dass alle zeitkritischen Nachrichten innerhalb von EtherNet/IP vorrangig weitergeleitet werden.

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