PROFINET IRT: Wenn Echtzeit nicht genug ist
Warum benötige ich PROFINET IRT?
Industrielle Kommunikationsprotokolle wie PROFINET, aber auch EtherCAT und Ethernet/IP, sind als sogenannte Echtzeit-Kommunikationsprotokolle klassifiziert. Diese Protokolle sind bereits in der Lage, Zykluszeiten bis zu 1 Millisekunde und Jitter von 10 bis 100 Mikrosekunden zu erreichen.
In manchen Fällen reicht das allerdings nicht aus, denn ein Grundsatz bleibt bestehen: Übertragung und Verarbeitung von Daten benötigt Zeit. Und bei einigen Anwendungen ist es essenziell, diese Zeit genau aufeinander abzustimmen, dass Produktionsschritte ordnungsgemäß ausgeführt werden können.
Vor allem im Motion-Bereich sind die Anforderungen an Geschwindigkeit und Performance der Datenkommunikation mittlerweile so hoch, dass sowohl die Zykluszeiten des „normalen“ Echtzeit-PROFINET nicht mehr schnell genug sind als auch andere Kenngrößen wie Jitter und Determinismus nicht mehr entsprechend gegeben sind.
Ein Roboterarm muss beispielsweise zu einer fest definierten Zeit an einer bestimmten Position sein, um ein Bauteil zu greifen oder zu bearbeiten. Ist er auch nur einen kleinen Moment zu früh oder zu spät, kann das einen Prozess empfindlich stören. Daher muss in einem solchen Fall auch die Übertragung und Verarbeitung von Daten schnell und verlässlich sein.
PROFINET IRT kommt überall dort, wo normale Echtzeitkommunikation an ihre Grenzen stößt, also sehr hohe Synchronität und Geschwindigkeit in der Kommunikation von Daten gebraucht wird, zum Einsatz.
Wie funktioniert PROFINET IRT?
PROFINET IRT setzt einen strikten Determinismus in der Übertragung bestimmter Datenpakete innerhalb des Netzwerkes voraus. Das bedeutet, das Daten innerhalb eines bestimmten, vorher festgelegten Zeitraums empfangen, verarbeitet und weitergeleitet werden müssen. Dabei müssen diese Daten in einer strikten Reihenfolge übertragen werden und dürfen nicht durch Verzögerungen z.B. bei Kollisionen im Netzwerk oder Jitter beeinflusst werden.
Damit das bewerkstelligt werden kann, werden bei der Datenkommunikation in einem PROFINET-IRT-Netzwerk bestimmte Zeitslots vorgesehen, in denen diese zeitkritischen Daten verarbeitet werden. Will man z.B. 20% seines Datenverkehrs in einer Anlage für IRT-Kommunikation reservieren, sprich für PROFINET-IRT, wird der Netzwerk-Traffic in fünf Zeitabschnitte unterteilt:
- Ein Zeitabschnitt bedient die IRT-Kommunikation
- Die restlichen vier Zeitabschnitte sind für die reguläre Echtzeitkommunikation frei
In 80 Prozent der Zeit funktioniert das Netzwerk in diesem Fall wie ein reguläres PROFINET-Netzwerk. Während der restlichen 20 Prozent allerdings werden nur PROFINET-IRT-relevante Datenpakete verarbeitet, um eine synchrone und deterministische Übertragung zu garantieren. Während dieser IRT-Kommunikation werden die Datenpakete der regulären PROFINET-Kommunikation zwischengespeichert und erst nach Beendigung des IRT-Zeitabschnitts verarbeitet.
Um das zu gewährleisten, muss ein PROFINET-IRT-Netzwerk zwei grundlegende Voraussetzungen erfüllen:
Synchronität zwischen allen IRT-Geräten
Einen einheitlichen Synchronisationstakt über alle PROFINET-IRT-Teilnehmer hinweg. Dieser wird durch eine geteilte und sehr präzise Uhr zwischen den Geräten bereitgestellt. Dieser und weitere Mechanismen wie das Precision Time Protocol (PTP) sind im IEE-Standard 1588 festgelegt. PROFINET IRT erweitert diesen Standard auf das sogenannte Precision Transparent Clock Protocol (PTCP). Dieses ist nicht nur für eine gemeinsame Uhr zwischen den einzelnen PROFINET-IRT-Teilnehmern zuständig, sondern berechnet auch Verzögerungen zwischen Netzwerk-Switches und der dazugehörigen Verdrahtung.
Möglichkeiten zum Zwischenspeichern
Zusätzliche Schaltungen im Netzwerkswitch, um jeglichen unregelmäßigen Ethernet-Datenverkehr, der während der zeitlich definierten IRT-Kommunikation empfangen wird, zwischenzuspeichern.
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