Echtzeit-Ethernet - eine Potentialanalyse -

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Echtzeit-Ethernet - eine Potentialanalyse - Prof. Dr. Jürgen Jasperneite inIT - Institut Industrial IT Fachhochschule Lippe und Höxter D-32657 Lemgo juergen.jasperneite@fh- luh.de

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Echtzeit-Ethernet - eine Potentialanalyse -. Prof. Dr. Jürgen Jasperneite inIT - Institut Industrial IT Fachhochschule Lippe und Höxter D-32657 Lemgo [email protected]. Einleitung. - PowerPoint PPT Presentation

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Echtzeit-Ethernet- eine Potentialanalyse -

Prof. Dr. Jürgen JasperneiteinIT - Institut Industrial IT

Fachhochschule Lippe und HöxterD-32657 Lemgo

[email protected]

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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

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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

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