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Manufacturing-Execution-SystemeDie selbstregelnde Fabrik

Mobile MES-Anwendungen mit Hydra von MPDV

Begriffe wie Selbstregelung, Selbstoptimierung oder selbstlernende Maschinen tauchten bereits in den Anfängen der Industrie 4.0 auf. Sie halten sich hartnäckig, werden in jüngster Zeit sogar häufiger genannt.

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SwitchDaten auf der Überholspur

Die Anforderungen der Automatisierung an das Standard-Ethernet hinsichtlich Determinismus und Echtzeitverhalten konnten bislang nicht erfüllt werden. Hauptursache waren die Verzögerungen an den Eingangs- und Ausgangsports durch andere Telegramme, beispielsweise aus dem IT-Bereich.

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Switch: Daten auf der  Überholspur

Die Ursache im Konflikt zwischen Determinismus und Switching Technologie für IEEE 802.3 Ethernet ist, dass selbst Automatisierungstelegramme mit hoher Priorität durch IT-Telegramme ausgebremst werden. Um dieses Problem zu lösen, müsste man im Switch eine Überholspur für die Automatisierung aufbauen. Erkennt der Switch ein Automatisierungstelegramm, so leitet er dieses auf diesem Weg an anderen Telegrammen vorbei. Und wenn dies jeder Switch macht, dann hat Ethernet für die Automatisierung das gewünschte deterministische Verhalten - das war die Überlegung bei Harting. Durchgängigkeit einer Automation- und IT-Kommunikationsplattform bedeutet, das Ethernet in drei Ebenen eingesetzt wird: In der Büro-Ebene, der Leit- und Steuerebene sowie der Feldebene. Standard IEEE802.3 Ethernet hat sich in der Leit- und Steuerebene und darüber bereits erfolgreich etabliert; denn sowohl Freiheitsgrade und Flexibilität, als auch das große Produktsortiment von Ethernet sprechen für sich. Auf der anderen Seite der in der Automatisierung geforderte Determinismus in der Feldebene, der bis heute nicht erfüllt wurde. Infolgedessen haben sich spezielle Netzwerksysteme gebildet, die sich diesen Determinismus auf die Fahne geschrieben haben. Solche speziellen Lösungen sind in ihrer topologischen Gestaltung aber stark eingeschränkt und es ist auch eine spezielle Hardware (Chip) in jedem Endgerät erforderlich. Die Frage war also: 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? Die Ursachen für den mangelnden Determinismus von Standard Ethernet lassen sich am besten in einem Diagramm verdeutlichen. Betrachtet man beispielsweise eine Linie mit sechzehn Switches, die von einem Automatisierungsprotokoll durchlaufen werden, so bestimmen die Anzahl der Switche die Verzögerungszeiten. Noch gravierender ist der Einfluss der Netzwerklast, wie beispielsweise die IT-Kommunikation, die zusätzlich zur Automatisierungskommunikation dasselbe Netzwerk nutzt. Zwar bietet Standard Ethernet kurze Telegrammlaufzeiten, die Durchlaufzeiten hingegen können 2 Millisekunden und mehr betragen. Deutlich darunter liegt das Zeitverhalten der Feldbusse, das ebenfalls in der Abbildung eingetragen ist. Im Wesentlichen gibt es drei Gründe für Verzögerungen im Netzwerk: Erstens, IT-Protokolle mit gleicher oder höherer Priorität nach IEEE802.1q konkurrieren mit Automatisierungsprotokollen in den Queues. Zweitens, Store-and-forward Mechanismen führen zu hohen Durchlaufzeiten in den Switchen, da jedes Telegramm erst vollständig einlaufen muss, bevor es weitergesendet werden kann. Der dritte Punkt betrifft die Ausgangsports. Werden diese mit IT-Protokollen belegt, die auch von Automatisierungsprotokollen beansprucht werden, treten gravierende Verzögerungen auf. Dazu ein Beispiel: Eine Steuerung sendet ein Automatisierungsprotokoll zu einem Antrieb über eine Strecke von 3 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 beispielsweise 1500 Byte lang, so kann dieser Wartevorgang in jedem Switch ca. 120 µs betragen. In einer ausgedehnten Linientopologie können sich die Zeiten also schnell auf mehrere Millisekunden addieren und dem Automatisierungsprotokoll ist nicht mehr möglich, das IT-Protokoll zu überholen.

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Fast Track Switching in der Feldebene

Die neuentwickelte Lösung basiert auf Folgendem: Zunächst muss der Switch ein Automatisierungsprotokoll erkennen, damit es vor allen anderen Protokollen und mit höchster Priorität weitergesendet werden kann. Dieses wird dann im cut-through-Verfahren beschleunigt gesendet, während für alle anderen Protokolle weiterhin der store-and-forward Mode gilt. Damit das Automatisierungsprotokoll auch ein IT-Protokoll überholen kann, wenn dieses den Ausgangsport belegt, den auch das Automatisierungsprotokoll beansprucht, wird der Sendevorgang kontrolliert beendet. Damit ist der Weg für die Automatisierungsprotokolle frei. Sobald der Port nicht mehr belegt ist, wird das zwischengespeicherte IT-Protokoll erneut gesendet. So entsteht eine Art Überholspur für die Automatisierung. Um dieses 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. Diese Lösung übertrifft sowohl das Standard Ethernet- als auch das vergleichbare Feldbusverhalten. Außerdem sind die Telegrammlaufzeiten jetzt deterministisch reproduzierbar. Somit steht jetzt eine Standard-Ethernet-Lösung auch in der Feldebene für Maschinen und Anlagen zur Verfügung. Mit Fast Track Switching kann im Maschinen- und Anlagenbau die Kommunikation sehr flexibel gestaltet werden, wobei alle Freiheitsgrade des Standard Ethernet erhalten bleiben. Beispielsweise eine kombinierte Stern- und Linientopologie mit Mehrport-Switchen. Die Sternvariante ist optimal geeignet für die Schaltschrankinstallation, während im Feld in Schutzklasse IP65/67 in der Linientopologie projektiert werden kann. Auch bei der Wahl des Automatisierungsprofils bieten sich dem Anwender verschiedene Möglichkeiten: Fast Track Switching unterstützt sowohl Profinet RT als auch Ethernet/IP und Modbus/TCP; diese können erkannt und beschleunigt behandelt werden. Das gilt sogar für alle Standard-unchanged-Ethernet Varianten, die in ihrem Header erkennbar sind. Damit ist keine Spezialhardware mehr für die Endgeräte notwendig. Positiv ist auch, dass eine Standard-Ethernet-Schnittstelle ausreichend ist, da die Switche einen Determinismus garantieren - und das reduziert die Gesamtkosten deutlich. Stefan Korf, Harting / Dr. Peter Stipp

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