04.06.2013

Reaktionszeiten Ethernet:

Modbus-TCP-Performance

Automatisierungslösungen haben sich seit der Veröffentlichung der ersten Modicon-SPS vor über 40 Jahren beträchtlich weiterentwickelt. Anfangs arbeiteten industrielle Lösungen mit proprietären Netzwerken - die Ausrüstung eines jeden großen Anbieters kommunizierte über ein jeweils eigenes Bus-Protokoll und -Kabel. Mit der Zeit sind die Anforderungen an das Netzwerk gewachsen. Kommunikationsgeschwindigkeit, Transparenz und Anforderungen an die Geräteanbindung treiben Maschinen- und Anlagenbauer weg von traditionellen proprietären Lösungen.


Seit der Markteinführung von Modbus-TCP im Jahr 1998 durch Schneider Electric hat es mehr als zehn Jahre gedauert, bis Ethernet den Punkt in seinem Entwicklungszyklus erreicht hat, an dem Anwender sich weg von proprietären Lösungen bewegen. Der Einsatz von Ethernet war zunächst auf die Anlagen- und Betriebsebenen des Automatisierungsnetzwerkes beschränkt. Im Laufe der Zeit ist es auch in die Prozess- und Feldbusebenen des Netzwerkes vorgedrungen. Anwender nutzen Modbus-TCP in einer breiten Spanne von Anwendungen in den verschiedenen industriellen und nicht-industriellen Branchen. Für den Großteil der Anwendungen wird die Performance von Modbus-TCP als ausreichend bewertet. Eine Ausnahme bildet die koordinierte Bewegungssteuerung in Hochgeschwindigkeit (Motion Control), so z.B. Anwendungen für Verpackungsmaschinen, bei denen oft auf spezielle Protokolle zurückgegriffen wird, um die geforderte Leistung zu erreichen. Auch heute besitzt Modbus-TCP nach wie vor einen hohen Marktanteil am Ethernet-Markt insgesamt. Dies beweist, dass Modbus-TCP den Leistungsanforderungen der Anwender entspricht.

Ethernet-Determinismus

Ein deterministisches System wird als prognostizierbar angesehen und produziert eine kalkulierbare, konsistente Reaktionszeit zwischen zwei Endgeräten. Ethernet-Determinismus wird von zwei Elementen beeinflusst: System-Determinismus und Netzwerk-Determinismus. System-Determinismus kann als Anwendungs-Reaktionszeit betrachtet werden oder die Zeit, die vergeht, bis ein Signal an einem E/A-Gerät ankommt, bis die Statusveränderung von der SPS erfasst wird, und bis die SPS-Programmlogik die Statusänderung bearbeitet und die logische Ausgabe des E/A-Gerätes geschrieben hat. Netzwerk-Determinismus bezieht sich auf die Fähigkeit des Netzwerkes, innerhalb eines festen Zeitrahmens Daten konsistent zwischen Endpunkten zu übermitteln. Determinismus kann eine wesentliche Voraussetzung für industrielle Automatisierungslösungen sein. Es ist zu beachten, dass das Netzwerk ein einzelnes Glied in der Kette der Anwendungsaktivitäten darstellt. In einer herkömmlichen E/A-Einlese-Anwendung verarbeitet die SPS-CPU die Programmlogik und leitet Daten an ein Netzwerk-Schnittstellenmodul in der SPS weiter. Dieses sendet die Daten über das Netzwerk zu dieser E/A-Einheit, der wiederum die Daten verarbeitet. Dann werden die Daten auf demselben Weg von der E/A-Einheit zur SPS zurück transportiert. Das Netzwerk stellt einen Teil der Zeit zur Anwendungsverarbeitung dar und trägt zum Determinismus des gesamten Systems bei. Heute ist eine Vielzahl von industriellen Ethernet-Protokollen auf dem Markt erhältlich.

Lösungen mit 'Commercial Off-the-Shelf'-Produkten (COTS)

Industrielle Ethernet-Protokolle dieser Kategorie werden im Hinblick darauf entwickelt, mit Produkten zusammenzuarbeiten, die Schichten 1 bis 4 (Bitübertragungsschicht bis Transportschicht) des Standard-OSI-Modells unterstützen. Die Anwendungsebenen dieser Protokolle sind unterschiedlich, aber die Unterstützung von Schicht 1 bis 4 ermöglicht Plug&Play-Interoperabilität mit vielen verfügbaren Ethernet-Geräten. Lösungen, die seriengefertigte Geräte (COTS) nutzen, können die deterministischen Anforderungen der meisten Automatisierungsanwendungen erfüllen. Modbus-TCP ist ein Beispiel eines COTS-Protokolls. Lösungen, die COTS-Protokolle nutzen, haben nicht die gleiche strenge Steuerung über den zeitlichen Ablauf wie Lösungen mit kundenspezifischen Chips. Aber Lösungen mit seriengefertigten Produkten können deterministisch arbeiten, wenn sie entsprechend implementiert werden. Die folgenden Methoden helfen dabei, um dennoch ein deterministisches Verhalten zu ermöglichen.

Infrastruktur mit Vollduplex-Switch

Frühe Ethernet-Implementationen verwendeten Hubs. In Netzwerken mit Hubs entstehen Datenkollisionen, die den Determinismus beeinflussen. Ethernet-Switches ermöglichen deterministisches Verhalten. Sie verwenden ein Vollduplex-Store&ForwardVerfahren (das heißt Teilstreckenverfahren). Kommunikation über Vollduplex stellt sicher, dass keine Kollisionen oder Verzögerungen bei Paketen entstehen, die auf demselben Kabel in verschiedene Richtungen verkehren. Store-and-Forward-Switches warten so lange, bis sie jedes Paket vollständig empfangen haben, bevor sie es an die Zieladresse senden. Das Store-and-Forward-Verfahren führt zu Zeitverzögerungen von 20 bis 110µs, abhängig von der Paketgröße.

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Netzwerk-Voraussetzungen

Der vermutlich beste Weg, um Determinismus in Netzwerken mit Serienprodukten sicherzustellen, ist die Kontrolle der Netzwerkgröße und -einstellungen. Jeder Knoten im Netzwerk bedingt einen gewissen Grad an Latenz und Jitter. Sind Netzwerkeinstellungen und -größe beschränkt, so kann die maximale Latenz bzw. der Jitter berechnet und dadurch deterministisches Verhalten ermöglicht werden. Ein Anbieter könnte z.B. deterministisches Verhalten für eine Ring-Architektur mit 32 Knoten ansetzen. Ein weiterer Parameter, der den Determinismus beeinflusst, ist die Menge und Art des Datenverkehrs im Netzwerk. Die Übertragungszeit kann verringert werden, indem man das Netzwerk so konzipiert, dass jeder Slave mindestens alle 5ms ein einzelnes für den Master bestimmtes Paket generiert. Das Netzwerk kann außerdem so konstruiert werden, dass das Generieren von Paketen mit hoher Priorität zwischen Slave-Geräten verhindert wird. Am besten lässt sich ein potenzieller COTS-Determinismus an einigen Beispielen darstellen. Die Leistung variiert je nach Applikation und verwendetem Protokoll, aber die Beispiele bieten eine angemessene Größenordnung für deterministische Leistungsfähigkeit.

Zwei Beispiele

Im ersten Beispiel besteht eine Ringarchitektur mit einer SPS mit 31 E/A-Einheiten. Das Beispiel arbeitet mit 800Bytes in/400Bytes out. Daraus folgt ein Netzwerk-Determinismus: 5,5ms. Im zweiten Rechenbeispiel existiert ebenfalls eine Ring-Topologie. Sie enthält eine SPS mit drei E/A-Einheiten und arbeitet mit 64Bytes in/64Bytes out. Daraus ergibt sich ein Netzwerk-Determinismus von 0,25ms. Zu beachten ist, dass die Zeitangaben in beiden Beispielen den Einsatz eines einzelnen Scanners mit mehreren Adaptern und Datenverkehr ohne hohe Priorität zwischen Adaptern unterstellen.

Fazit

In den kommenden Jahren wird das Ethernet die Welt der industriellen Automatisierungslösungen weiterhin spürbar durchdringen. Das rasanteste Wachstum wird auf der Geräte-Ebene stattfinden. Protokolle, die auf die Verwendung mit seriengefertigten Produkten ausgelegt sind, bieten hierfür eine effiziente und skalierbare Lösung, die den Determinismus-Anforderungen vieler Automatisierungsanwendungen genügt.

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