Ethernet POWERLINK - Das Echtzeit Ethernet

Ethernet POWERLINK – Was ist das?

Powerlinks dienen heutzutage dazu, die Feldbusse, die zum Beispiel in einer Anlage Feldgeräte und Stellglieder oder ähnliches mit einem Steuerungsgerät verbinden, zu ersetzen oder zu ergänzen. Die Ethernet Powerlink gehört damit zu den Echtzeit-Ethernets. Durch sie ist es möglich, beispielsweise ein Rechnernetz von Computern in der Büroebene mit denen in Produktionsanlagen zu schaffen und so alle wichtigen Komponenten miteinander zu verbinden. In diesem Beispiel würde man die Computer bei den Produktionsanlagen als „Feldgeräte“ bezeichnen. Man nennt die Vernetzung dieser Rechner „vertikale Integration der Automatisierungstechnik“ und sie ist sehr essentiell in der Automatisierungstechnik, welche ohne diese Technik nicht mehr auskommt. Problematisch bei Standard-Ethernets ist jedoch, dass sie ihre Informationen nicht in Echtzeit weiterleiten, sondern man mit Verzögerungen von ca. 1 ms rechnen muss.

Der Ethernet Powerlink überträgt Daten im Mikrosekundenbereich. Ursprünglich stellte ihn die Firma B&R her und er wird heutzutage von der Ethernet Powerlink Standardization Group weiterentwickelt.

Derzeit wird Ethernet Powerlink in zwei Versionen angeboten.

  • Ethernettyp 0x3e3f: Wurde zeitig als Basis für Weiterentwicklungen eingesetzt und wurde von B&R hergestellt und ist nur eine Art Übergangslösung
  • Ethernettyp 0x88ab: Ist die aktuelle Version, die im Vergleich zur 1. Version schon weiterentwickelt wurde, z.B. CANopen Geräteprofile, Powerlink Safety, Electronic Datasheets, Master Poll Response

Die Vorteile der Ethernet Powerlink zu anderen Standart-Ethernets liegt darin, dass er die Daten garantiert überträgt und das in sehr kurzen, isochronen Zyklen sowie mit konfigurierbarem Zeitverhalten. Außerdem kann die Ethernet Powerlink alle Netzwerkknoten zeitlich synchronisieren (das geschieht im Mikrosekundenbereich). Derzeit erreicht er Zykluszeiten von unter 200 μs sowie einen Jitter von weniger als 1 μs.

Durch Ethernet Powerlink ist es möglich, ein CANopen ähnliches Kommunikationsprotokoll zum Datenaustausch mit Knoten in Netzwerken zu spezifizieren. Wirken beide Elemente zusammen, werden sie von einem sogenannten Powerlink Protokollstack abgehandelt, für den keine spezielle Hardware benötigt wird. So können sich Master- und Slaveknoten mit standardisierten Ethernetbausteinen verwirklichen lassen. Sie sind daher auch für verschiedene Betriebssysteme verfügbar. Ethernet Powerlink verwendet außerdem die Geräteprofile von CANopen.

Ethernet Powerlink ist im OSI-Schichtmodell angesiedelt. Dieses Modell wurde als Designgrundlage für Kommunikationsprotokolle in Rechnernetzen entwickelt. Es hat Aufgaben der Kommunikation in sieben Schichten, die aufeinander aufbauen (Anwendungsschicht, Darstellungsschicht, Sitzungsschicht, Transportschicht, Vermittlungsschicht, Sicherungsschicht, Bitübertragungsschicht). Jede der Schichten hat somit spezielle Anforderungen.

Ethernet POWERLINK – Wie funktioniert die Datenübertragung?

Normalerweise wird Ethernet Powerlink mit Twisted-Pair-Kabeln betrieben und ist in diesem Fall somit ein Fast Ethernet. Dabei können die handelsüblichen 8P8C/RJ-45-, die M12-Steckverbindungen oder aber Lichtwellenleiter verwendet werden. Bei letzteren ist jedoch mit zusätzlichen Verzögerungen durch Medienkonverter zu rechnen.

Durch eine Verkabelung anhand des Ethernet-Powerlink-Standards durch den IOANA-Leitfadens wird garantiert, dass die Planung und Installation funktioniert. Wünscht man eine Minimierung der Verzögerung und des Jitters, sollte man sogenannte Repeating Hubs, statt Switching Hubs einsetzen. Natürlich muss auch verhindert werden, dass es zu Kollisionen auf dem Netzwerk kommt. Nur so kann eine deterministische Datenübertragung garantiert werden. Dies wird sichergestellt, indem sogenannte Controlled Nodes (CN) nur dann senden dürfen, wenn sie aufgefordert werden. Das steuert ein Managing Node (MN).

Der Start eines Zyklus bildet den Start of Cycle, bzw. SoC. Nun wird jeder Knoten einzeln vom Managing Node mit einem Poll Request (PReq) abgefragt, woraufhin der Controlled Node mit einem Poll Response (PRes) antwortet. Andere Powerlinkgeräte können hierbei „mithören“, da die Antworten als Ethernet-Multicast gesendet werden. Der Vorteil hierbei ist aber, dass so die Controlled Nodes miteinander kommunizieren können. Nicht jedes Gerät muss abgefragt werden. So werden lange Zykluszeiten vermieden. Nach der zyklischen Phase beginnt die asynchrone Phase. Sie startet mit dem Start of Asynchronous (SoA). Hier ist es möglich, dass jeweils ein vom Managing Node gewählter Controlled Node Daten sendet. Durch besondere Gateways lassen sich Daten aus normalen, also nicht-deterministischen Netzwerken und dem Powerlink-Netzwerk austauschen.

Das Powerlink-Paket

Das Powerlink-Paket besteht aus Header und den Nutzdaten. Alles ist in einen normalen Ethernetframe eingebunden, der zwischen 64-1500 Byte aufweisen sollte. Wichtig zu wissen ist, dass sogenannte Jumbo Frames, also jene, die über 1500 Bytes groß sind, in einem Powerlink-Netzwerk nicht erlaubt sind. Solche Jumbo Frames sind nicht standardisiert und übergroß. Sie sind nur dann sinnvoll, wenn der Protokolloverhead dadurch minimiert werden kann. Das muss jedoch erst getestet werden, indem man schaut, ob Netzwerkelemente, wie Switches oder Router mit einem Jumbo Frame umgehen können und ob es so zu einem Geschwindigkeitsvorteil kommt.

Ein Powerlinkheader besteht aus…

  • 1 Bit Reserviert
  • 7 Bit MessageType
  • 8 Bit Zielknotennummer
  • 8 Bit Quellknotennummer

Definierte Message-Types sind SoC, der den Start eines neuen Zyklus definiert, PReq, der zyklische Daten des CN erfragt, PRes, der aktuelle zyklische Daten des CN sendet, SoA, der den Start der asynchronen Phase signalisiert und ASend, der die asynchronen Daten sendet.