Grundlagen digitaler Echtzeitsysteme

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In der Fabrikautomatisierung sind Systeme mit hunderten von Knoten denkbar, die alle aufeinander synchronisiert arbeiten, um in der Fertigung ein optimiertes Ergebnis zu erzielen. Damit gewinnt die Auswahl des richtigen Backbone-Protokolls eine besondere Bedeutung. Dieses Protokoll muss die nötigen Eingangssignale, zugleich aber auch einen guten Kompromiss zwischen Geschwindigkeit, Bandbreite und Kosten liefern. Im Rahmen aktueller Trends in der Industrieautomatisierung kommen immer häufiger Hochleistungsnetze mit dezentralen Antrieben und Motion-Controllern zum Einsatz. Immer häufiger bilden Technologien aus der IT-Welt den Kern solcher Strukturen. Einer der dort verwendeten Standards ist Ethernet.

Serielle Kommunikationsprotokolle im gängigen Einsatz

Ein Fabrikautomatisierungssystem besteht in der Regel aus wesentlich mehr als nur einem einzigen Backbone-System. Zumeist setzt es sich aus einer Hierarchie von Systemen zusammen, die alle miteinander über ein System aus Gateway- und Steuermodulen miteinander vernetzt sind.

Zur einfachsten Form zählen eine Reihe von seriellen Kommunikationsprotokollen, die noch heute im allgemeinen Einsatz sind, und vor allem der Antriebstechnik-internen Kommunikation dienen. Der Schlüssel zum Erfolg und zum gängigen Einsatz dieser Protokolle sind Verfügbarkeit sowie geringe Kosten. Heute enthalten fast alle MCUs auf dem Markt - selbst die einfachsten - mindestens ein UART- oder ein SPI-Modul, das diese Protokolle unterstützt.

CAN mit seinen ursprünglichen Wurzeln im Automotive-Bereich hat sich mittlerweile auch auf dem Industrieelektronik-Markt durchgesetzt. Schon nach kurzer Zeit kamen auch in diesem Markt Netzwerke auf der Basis des CAN-Protokolls mit industriespezifischen Erweiterungen zum Einsatz. Diese Netze bilden nach wie vor die Grundlage der etablierten, heute genutzten Fabrikautomatisierungs-Backbones. Ursprünglich war die Unterstützung für Netzwerke wie CANopen oder CANsync als Optionsmodul verfügbar, heute ist sie aber meist bereits standardmäßig in den meisten Antrieben und Motion-Controllern enthalten.

Solche Legacy-Systeme zählen mit großem Abstand zu den beliebtesten, sie bieten jedoch nicht die Echtzeit-Leistung einer Ethernet-basierten Lösung. Bis heute gibt es fast 30 unterschiedliche Ethernet-Protokolle, die jeweils von einem anderen Technologie-Anbieter stammen oder die als proprietäres Protokoll für die Anforderungen eines Nischenmarktes entwickelt wurden. Für Lösungsanbieter ist diese Auswahl oft verwirrend. Ethernet-gestützte Lösungen lassen sich in drei grundlegende Kategorien einteilen.

Drei Kategorien Ethernet-gestützter Lösungen

Die erste Kategorie beruht nach wie vor auf den oben erwähnten IT-Technologien. Diese Lösungen erfordern keine spezielle Hardware und basieren zumeist auf dem TCP/IP-Protokoll. In Bezug auf die Hardware lassen sie sich leicht implementieren. Auch die Software-Aspekte dieser Lösungen sind relativ unkompliziert. Sie liefern die hohe Bandbreite, die man von Ethernet erwartet, nicht jedoch eine strenge Echtzeit-Synchronisierung, wie sie bei anderen Protokollen üblich ist. Beispiele dieser Architekturen sind ModBus TCP, wie von Schneider propagiert und Ethernet/IP, das vom US-Unternehmen Rockwell Automation unterstützt wird.

Die zweite Kategorie geht erheblich weiter und bietet nicht nur die Bandbreite, sondern auch die für ein wirkliches Echtzeitsystem erforderliche Synchronisierung. Solche Architekturen arbeiten überwiegend mit Standard-Hardware, weichen aber für die Bereitstellung der Echtzeitdaten vom TCP/IP-Protokoll ab. Beispiele für solche Systeme sind das von Siemens eingeführte ProfiNet RT und Powerlink von B+R.

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