Post on 16-Mar-2016
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Echtzeit-Ethernet- eine Potentialanalyse -
Prof. Dr. Jürgen JasperneiteinIT - Institut Industrial IT
Fachhochschule Lippe und HöxterD-32657 Lemgo
juergen.jasperneite@fh-luh.de
2 / Prof. Dr. J. Jasperneite/ 24.04.23
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 Domain Realtime 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
Fram
e
Fram
e
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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
9 / Prof. Dr. J. Jasperneite/ 24.04.23
…. 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
OFI
NE
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
OFI
NE
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
Fram
e
Fram
e
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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
OFI
NE
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