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Echtzeit-Ethernet- eine Potentialanalyse -
Prof. Dr. Jürgen JasperneiteinIT - Institut Industrial IT
Fachhochschule Lippe und HöxterD-32657 Lemgo
2 / Prof. Dr. J. Jasperneite/ 11.04.23
Einleitung
• Zwischenbericht zur Potentialanalyse des BMBF-Projektes „Echtzeit-Ethernet in der Sensor/Aktorvernetzung (ESANA)“ FKZ 1742X06
• Performance und Einfachheit
• Verbund:
• Phoenix Contact, Blomberg
• Siemens, Erlangen
• MAZeT, Jena
• TU Berlin, Lehrstuhl Mikroelektronik
• inIT –Institut Industrial IT, Lemgo
• Laufzeit: 10/2006 - 4/2008
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Motivation
Industrial DomainRealtime Wireless
Realtime Ethernet
Office Domain
time
10 Gbps1 Gbps
100 Mbps
bit rate
1995 1999 2001
IEEE802.3 evolution
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Taxonomie Echtzeit-Ethernet (RTE)
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Ansätze zur Frameorganisation
• Summenrahmen
• In einer Linie effizienteste Methode für Knoten mit kleiner Payload
• oft zusammen mit Ringtopologie genutzt
• z.B. EtherCAT
• Individuelle Frames
• Address-basierte Zustellung (wie IEEE802.3)
• Zeitplanung
• z.B. PROFINET mit IRT
PayloadH T
T T THHH
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Einflußfaktoren der Frameübertragung
Ort
Zeit
TX RX
lokaleÜbernahme
Laufzeit
Übertragungs-zeit
Fra
me
Fra
me
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Reale Anlagen erfordern flexible Strukturen
Beispiel einer Anlage und resultierende Netztopologie
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Reale Anlagen erfordern flexible Strukturen
Beispiel einer Anlage und resultierende Netztopologie
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…. führt häufig zu Linien mit Abzweigen (= Kammstruktur)
• Modularisierung
• Unterschiedliche Anforderungen an Updatezeiten der beteiligten Feldgeräte
• Leitungsredundanz
Bearbeiten Zuführen Fixieren
Szenario Kammstruktur: Hauptlinie mit k=8 Stationen in jedem BuszyklusAnlagenteile mit n=10 Teilnehmer in jedem 8. ZyklusAbstand zwischen Teilnehmern jeweils 50 Meter.
1 k
1
n
..
..
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Szenario: Kammstruktur mit 100 MBit/s
PR
OF
INE
T V
orte
il
-100%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 50 100 150 200 250 300
PROFINET-Vorteil = Zykluszeit_EtherCAT / Zykluszeit_PROFINET IRT
Nutzdaten / Gerät [Byte]
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1. Zwischenfazit
• reale Anlagen erfordern häufig flexible Netztopologien und unterschiedliche Updatezeiten der beteiligten Teilnehmer.
• in solchen Kammstrukturen ist PROFINET überlegen.
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Wie sieht es bei der einfachen Sensor/Aktorvernetzung aus?
• häufig einfachelineare Strukturen (Linie)
Szenario Linienstruktur: Linie mit 50 Stationen, jeweils mit 50 Metern Abstand
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Szenario: Linienstruktur mit 100 MBit/s
-100%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 50 100 150 200 250 300
PR
OF
INE
T-V
orte
il
Nutzdaten / Gerät [Byte]
Optimierungspotential
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Optimierungsansätze
Ansatz: Beide Zeitkomponenten müssen verkleinert werden.
• Durchleitezeit in den Teilnehmern verkürzen • Telegrammoverhead reduzieren• Nutzung des Windschatteneffektes
Ort
Zeit
TX RX
lokaleÜbernahme
Laufzeit
Übertragungs-zeitÜbertragungs-zeitÜbertragungs-zeit
Fra
me
Fra
me
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Zukunftssicherheit: Linienstruktur bei 1GBit/s ?
-100%
-75%
-50%
-25%
0%
25%
50%
75%
100%
125%
150%
0 50 100 150 200 250 300
PR
OF
INE
T-V
orte
il
Nutzdaten / Gerät [Byte]
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2. Zwischenfazit
• von einer Erhöhung der Bitrate auf 1 GBit/s profitiert PROFINET viel stärker als z.B. EtherCat
• bei 100 MBit/s und kleinen Datenmengen in Linienstrukturen besteht für PROFINET Optimierungspotential
• durch gezielte kompatible Erweiterungen kann PROFINET auch kleinere Datenmengen deutlich effizienter als alle anderen Ethernet-Ansätze übertragen
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Wie geht es weiter ?
• derzeit werden die möglichen kompatiblen Erweiterungen spezifiziert und getestet.
• zur Hannover Messe 2008 ist im Rahmen des Projektes ein Prototyp geplant, der die Überlegenheit von PROFINET auch in der Linie bei kleinen Datenmengen präsentieren wird.
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Schlussfolgerungen
• Im Bereich komplexer Maschinen/Anlagenstrukturen ist die Performance bei PROFINET heute deutlich besser als bei allen anderen Verfahren.
• Durch gezielte kompatible Erweiterungen von PROFINET kann ein breites Anwendungsfeld unterstützt werden, auch die reine Linienstruktur. Damit skaliert PROFINET von einfachen Strukturen bis hin zu komplexen Anlagen.
• PROFINET profitiert stärker als andere Systeme von der Ethernet-Evolution und ist damit zukunftssicher.
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Weitere Infos …
IEEE Konferenz ETFA in Patras am 25.09.2007
