Ein Echtzeit-Chip für fast alle Ethernet-Protokolle

Der REM-Switch fido5x00 und die Schnittstelle RapID unterstützen alle gängigen Protokolle auf einer Hardware-Konfiguration. Über bereits integrierte Funktionen lassen sich TSN-Standards implementieren.

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Analog Devices

Im Kontext von Industrie 4.0 sehnen sich Zulieferer und Hersteller von industrieller Automatisierungstechnik nach einer offenen, herstellerunabhängigen Kommunikationsplattform. Damit wollen sie die zunehmende Automatisierung aller Prozessabläufe systemübergreifend realisieren.

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Die Automatisierung muss künftig sowohl den Bedürfnissen von IT-Systemen hinsichtlich eines offenen Datenzugangs, als auch den Echtzeit-Anforderungen industrieller Steuerungssysteme Rechnung tragen. Ethernet beziehungsweise industrielles Ethernet spielt hier bereits eine wesentliche Rolle. Die paketvermittelnde Netzwerktechnik bietet gegenüber der herkömmlichen Feldbustechnik Vorteile. Dazu zählt vor allem die effiziente und synchrone Übertragung größerer Datenmengen in Echtzeit auf einem gemeinsam genutzten Übertragungsmedium. Populäre Protokolle für das Industrial Ethernet wie PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, POWERLINK usw. ermöglichen die gemeinsame Nutzung des Ethernets mit konventionellen Protokollen wie http oder TCP/IP.

Im Folgenden werden künftige Anforderungen von industriellen Netzwerken wie die zuverlässige Übertragung und die zeitliche Synchronisation von Daten (Time Sensitive Networks, TSN) näher betrachtet. Mit der Switch-Familie fido5000 – Real-Time Ethernet Multi-Protocol (REM) – wird eine Lösung vorgestellt. Diese ist erhältlich in den Ausführungen fido5100 und fido5200 (Bild 1). Die Varianten unterscheiden sich in den implementierten Ethernet-Protokollen. Der fido5200 unterstützt neben den gängigen industriellen Ethernet-Protokollen zusätzlich EtherCAT.

Der REM-Switch fido5000

Mit der Familie fido5000 bietet Analog Devices verschiedene REM-Switch-Chips mit zwei Ethernet-Ports, die für heutige Industriegeräte und künftige Industrie-4.0-Anwendungen Standard sind. Damit lassen sich ohne viel Aufwand die Netzwerk-Topologien Linie, Ring und Stern sowie redundante Stern-Topologien realisieren.

Zusätzlich kann der Entwickler beliebige Host-Prozessoren anschließen und seine bevorzugten Mikrocontroller und Entwicklungsumgebungen verwenden. Somit kann er sein Wissen nutzen und gleichzeitig ein leistungsfähiges Industrial Ethernet implementieren.

Die Kommunikation zwischen dem REM-Chip und dem Prozessor erfolgt über den Memory-Bus. Diese Schnittstelle ist 16- oder 32-Bit weit und stellt drei separate Interrupt-Leitungen zur Verfügung, die im Prozessor mit Hilfe von individuellen Prioritäten verarbeitet werden. Dadurch lässt sich ein sehr leistungsfähiges, latenzarmes Industrial Ethernet realisieren.

Der Memory-Bus implementiert zudem die Host-Schnittstelle mit der sogenannten „PriorityChannel“-Technik. Diese von Innovasic (jetzt Analog Devices) entwickelte Technik stellt sicher, dass kritische Daten aus einem Ethernet-Netzwerk rechtzeitig abgearbeitet werden können – unabhängig von den Protokollen und der Netzauslastung. Der nicht-zeitkritische Datenverkehr beeinflusst die Übertragung nicht.

Der Echtzeit-Kanal wird mit einer höheren Priorität als die normalen Netzwerkdaten abgearbeitet, wodurch kritische Daten ununterbrochen direkt zum Feldgerät weitergeleitet werden können. Die Funktionsweise der PriorityChannel-Technik ist in Bild 2 dargestellt. Dank des Zusammenspiels der priorisierten Kanäle (engl. Queue) und der drei Interrupt-Leitungen lässt sich die Software gut skalieren und optimieren.

Neben der Switch-Funktion zeichnet sich die Familie durch eine leistungsfähige Zeitsteuerung (Timer-Control Unit, TCU) aus. Sie ist dazu gedacht, die Synchronisationsmechanismen der verschiedenen Industrial-Ethernet-Protokolle zu implementieren. Weitere Funktionen wie „Input-Capture“ oder die Ausgabe beliebiger Rechtecksignale werden über vier dedizierte Ausgänge und vier universelle Ein-/ Ausgänge realisiert. Sie liegen in direktem Bezug beziehungsweise in Phase mit der netzweit synchronisierten Zeit. So speichert z.B. jeder der vier Eingänge bei einer entsprechenden Eingangsflanke die interne 64-Bit-Zeit dieser Flanke. An den Ausgängen werden beliebige digitale Signalmuster synchron zur Netzwerkzeit ausgeben bis zu Zykluszeiten von weniger als 31,25 µs.

Der REM-Switch unterstützt darüber hinaus Standards wie TSN. Die Anforderungen künftiger industrieller Ethernet-Anwendungen sind sehr anspruchsvoll hinsichtlich Echtzeit und möglichst geringen Verarbeitungs- und Latenzzeiten. Exemplarisch sind hier vor allem die Bereiche „Motion Control“ oder auch „Safety“ zu nennen, die dem Thema TSN eine entscheidende Rolle zukommen lassen.

Bei TSN handelt sich um Standards, die von Arbeitsgruppen in der IEEE 802.1 definiert werden und, die zu bestehenden Standard-Ethernet-Technologien kompatibel sein werden. Im Wesentlichen definiert TSN den ersten IEEE-Standard für eine zeitgesteuerte Weiterleitung von Daten und Informationen in einem „Switched“-Ethernet-Netzwerk. Mithilfe einer gemeinsamen Zeitbasis und einem Zeitplan, der für Nachrichtenpfade über mehrere Netzwerk-Komponenten hinweg erstellt wird, wird die deterministische Echtzeit-Kommunikation innerhalb der Normenreihe DIN VDE 802 realisiert.

Zusätzlich gibt es die integrierte Plattform „RapID“ als Embedded Design (Bild 3, nur online), auch als „TSN Evaluation Kit“ bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Komplettlösung auf Basis des fido5000. RapID kann in bestehende Feldgeräte integriert werden, um die Anforderungen von Industrie 4.0-Anwendungen zu erfüllen.

Die Implementierungen der gängigen Protokolle des Industrial Ethernet sind für die Plattform vorzertifiziert verfügbar und können vom Anwender optional verwendet werden. Alle relevanten Informationen wie Schaltpläne, Layout-Daten usw., mit denen der Entwickler das TSN-Kit in eine kundenspezifische Applikation eindesignen kann, lassen sich von der Internetseite herunterladen. Über einen dynamisch arbeitenden, integrierten Webserver kann der Anwender Netzwerkparameter, Ein- und Ausgangsdaten lesen beziehungsweise ändern.

Sowohl der REM-Switch fido5000 als auch die Plattform RapID bieten bereits heute durch ihre Funktionen gute Voraussetzungen für die Applikation zeitkritischer Anwendungen, die auf aktuellen Industrial-Ethernet- als auch TSN-Standards basieren.

* Thomas Brand arbeitet als Applikationsingenieur strategische Produkte bei Analog Devices in München.

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