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PROFINET IRT: When Real-Time is not enough

Why do I need PROFINET IRT?

Industrial communication protocols such as PROFINET, EtherCAT and Ethernet/IP are classified as real-time communication protocols. These protocols can already achieve cycle times as low as 1 millisecond and jitter between 10 and 100 microseconds.

In some cases, however, even this level of performance isn’t enough. The fact of the matter is: it takes time to transmit and process data. In certain applications, it is critical that this time be precisely synchronized to ensure that production steps are performed correctly.

This is particularly true in motion control, where the demands for speed and performance in data communication have increased to the point where the cycle times of standard real-time PROFINET are no longer fast enough, and other key metrics such as jitter and determinism no longer meet the required standards.

For example, a robotic arm must be in a precisely defined position at a specific time to pick up or process a part. If the arm is even slightly early or late, the process can be severely disrupted. In such cases, the transmission and processing of data must be both fast and reliable.

PROFINET IRT is used wherever standard real-time communication reaches its limits and extremely accurate synchronization at exceptionally high speeds in data communication are required.

The inside of a factory with a conveyor belt and grey boxes. On the right side is the PROFINET logo.
How Does PROFINET IRT Work?

PROFINET IRT requires strict determinism in the transmission of specific data packets within the network. This means that data must be received, processed, and forwarded in a precise sequence within a predetermined time frame, without being affected by delays such as network collisions or jitter.

To do this, a PROFINET IRT network allocates specific time slots for handling time-critical data. For instance, if 20% of the network traffic is reserved for IRT communication, i.e., PROFINET IRT, the network traffic is divided into five time segments:

  • One segment is dedicated to IRT communication
  • The remaining four segments are reserved for regular real-time communication

In this case, the network operates as a standard PROFINET network 80% of the time. During the remaining 20%, only PROFINET IRT-relevant data packets are processed, ensuring synchronized and deterministic transmission. While IRT communication is taking place, regular PROFINET data packets are buffered and processed when the IRT time segment is complete.

A picture with numerous columns lined up in it. Every fifth column is labeled IRT, while the rest is labeled RT.
For this system to work effectively, a PROFINET IRT network must meet two essential requirements:
Synchronization across all IRT devices

A consistent synchronization cycle must be maintained across all PROFINET IRT devices. This is managed by a high-precision clock that is shared by all devices. This and additional mechanisms such as the Precision Time Protocol (PTP) are defined in the IEEE 1588 standard. PROFINET IRT extends this standard with the Precision Transparent Clock Protocol (PTCP). PTCP not only maintains a shared clock between PROFINET IRT devices, but also calculates delays between network switches and the associated wiring.

An icon of acomputer display with a loading icon in the middle.
Buffering capabilities

Additional circuitry within the network switch is required to buffer any non-IRT Ethernet traffic received during the designated IRT communication time.

PROFINET IRT with Hilscher & netX

In order to meet the requirements of such time-critical data communication, it is necessary to intervene on layer 1 and layer 2 of the OSI model, in particular on the MAC layer. This is necessary so that the network devices can provide the IRT time segments during which the Ethernet communication is converted to a TDMA (Time Division Multiple Access) medium. The rest of the time, during regular PROFINET communication, the data transmission works as a standard CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access - Collision Detect) medium.

Hilscher is one of the few suppliers worldwide to offer PROFINET IRT for controller applications. This is made possible by Hilscher’s netX communication controllers, which are developed together with the corresponding protocol software.

Transport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerModified Ethernethardware-based RTEHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET, EtherCAT, ...Specific Real-Timehardware and functions(for example PROFINETIRT, Sercos, EtherCAT,Powerlink or TSN)Ethernet PHYTransport LayerSession LayerPresentation LayerApplication LayerNetwork LayerDataLink LayerPhysical LayerLegacy FieldbusStandard Ethernethardware-based RTEIP-Multicast IPEthernet MACEthernet PHYHTTP, SNMP, SMTP, FTP, LDAP and similarIE Protocols likePROFINET RT, EtherNet/IP(CIP), Modbus, ...UDPTCP

netX enables PROFINET IRT

Hilscher addresses this challenge with its netX technology. The netX controllers feature a unique xC structure on OSI layers 1 and 2. Using these programmable microcontrollers and Hilscher’s PROFINET protocol stack, the behavior of a PROFINET network can be defined on the first two OSI layers.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

Flexible microcode from Hilscher

A key feature of netX is that this behavior isn’t hardcoded, but can be flexibly adjusted via microcode. With the microcode provided by Hilscher, users have access to the interface between layer 2 and layer 3.

A graphical representation of the netX Basic technology switch architecture 100Mbit.

If you already have a PROFINET solution in place, the first step is to check whether your hardware is IRT-capable. In most cases, it is not, as both hardware and software must meet specific requirements to transmit data according to the IRT standard. These requirements go beyond what is needed for most industrial applications and are typically only needed in high-performance systems, such as those used in motion control or robotics. Unfortunately, many PROFINET-enabled devices are not compatible with PROFINET IRT. In the worst case, a PROFINET IRT network will have to be treated and developed completely separate from your existing installations.

PROFINET and PROFINET IRT with netX

netX technology makes the transition much easier. The necessary PROFINET IRT configurations are already integrated in our standard PROFINET stack, and every netX communication controller comes with the required xC structure. You don’t need to make any changes to either your hardware or software. All you need to do is configure your network.

The same also applies to other network technologies such as EtherCAT. Thanks to the multiprotocol capability of netX, the same hardware can also support EtherCAT.

 

A black square with netX written on it on colorful background. On the right side is a PROFINET logo.

Different cable lengths introduce additional jitter, a physical property that is unavoidable and requires special attention when implementing a PROFINET IRT network.

For example, a data packet sent over a 10-cm cable will have a shorter transmission time than one sent over a 100-meter cable. These different cable lengths and the resulting jitter during data packet transmission must be taken into account in a PROFINET IRT network to ensure that the controller can properly manage the devices on the network.

Hilscher provides a handy tool called the Topology Editor that allows users to map their plant layout and account for the cable lengths connecting their devices.

What devices are suitable for PROFINET IRT?

Devices that meet the requirements for PROFINET IRT are classified as Conformance Class C (CC-C) as part of the PROFINET certification process. This class covers clocked communication with cycle times as low as 32.5 microseconds. CC-C is the most advanced and demanding conformance class for PROFINET. There are other conformance classes as well: CC-A, the basic class, supports “normal” real-time communication, acyclic real-time transmission, and standard TCP-IP Ethernet. CC-B builds on CC-A by adding support for the Simple Network Management (SNMP) protocol. The classes are cumulative, i.e., CC-C not only supports IRT communication, but also includes all features of CC-A and CC-B.

Hilscher’s netX technology is fully compliant with Conformance Class C, as our PROFINET stack already includes all necessary software functions. On the hardware side, our netX communication controllers are also equipped for IRT applications as standard.

PROFINET conformity classABC
Real-time data exchange with cycle times of up to 1 ms
  •  
  •  
  •  
Alarm and diagnostic functions
  •  
  •  
  •  
Support for network topology
  •  
  •  
  •  
SNMP support 
  •  
  •  
Real-time data exchange with cycle times down to 31.25µs  
  •  

 

Our PROFINET PC cards

PC 카드 PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

확장 온도 범위 지원 PC 카드 PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 Mini PCI Express 하프사이즈 - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 M.2 2230 키 A+E - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 M.2 3042 ‍Key B+M - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, M12 커넥터 ‍적용, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 M.2 2242 ‍Key B+M - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 로우 프로파일 PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

NVRAM ‍탑재‍된 PC ‍카드 ‍로우 프로파일 PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

NVRAM ‍장착 PC ‍카드 Mini PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 Mini PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, M12 커넥터 ‍적용, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

NVRAM 장착된 확장 온도 범위 ‍지원 PC 카드 Mini PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

방열판 미장착 PC 카드 Mini PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

확장 온도 범위 지원 PC 카드 Mini PCI Express - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 PCI - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 CompactPCI - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

PC 카드 Mini PCI - 실시간 이더넷

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

분리형 네트워크 인터페이스, M12 커넥터 ‍적용, 실시간 이더넷 ‍지원

PC 기반 자동화를 위한 통신

Our embedded modules for PROFINET

통신 모듈 듀얼 포트 메모리 - 실시간 이더넷

자동화를 위한 유연한 통신 모듈

통신 모듈 SPI - 실시간 이더넷 슬레이브

자동화를 위한 유연한 통신 모듈

통신 모듈 듀얼 포트 메모리 - 실시간 이더넷

자동화를 위한 유연한 통신 모듈

통신 모듈 SPI - 실시간 이더넷 슬레이브

자동화를 위한 유연한 통신 모듈

comX 평가 보드

모든 comX 유형을 위한 개발 플랫폼

netX 90 칩 캐리어 - 사전 로드된 프로토콜 스택

초소형 netX 90 디자인 - 테스트 및 로드 완료

추가 메모리가 있는 netX 90 칩 캐리어 - 사전 로드된 프로토콜 스택

초소형 netX 90 디자인 - 테스트 완료 및 사전 설치 완료

netRAPID H90 평가 보드 - 실시간 이더넷 및 필드버스

NRP H90-RE\F8D8 장착됨

추가 메모리가 있는 netX 51 칩 캐리어 - 실시간 이더넷 슬레이브

스탬프 크기의 솔더링 가능 netX 설계

netRAPID 평가 보드 - 실시간 이더넷

NRP 51-RE 장착

netX 52 칩 캐리어, 변압기 포함 - 실시간 이더넷 슬레이브

스탬프 크기의 솔더링 가능 netX 설계

netRAPID 52 평가 보드 - 실시간 이더넷

 

교체 가능한 모듈 PCI Express - 실시간 이더넷

배송 체인에 언제든지 장착 가능

교환 가능한 모듈 SPI - 실시간 이더넷 슬레이브

배송 체인에 언제든지 장착 가능

교환 가능한 모듈 듀얼 포트 메모리 - 실시간 이더넷

배송 체인에 언제든지 장착 가능

netJACK 평가 보드 듀얼 포트 메모리

듀얼 포트 메모리 또는 SPI가 적용된 모든 netJACK 지원

PCI Express netJACK 평가 보드

PCI Express를 이용하는 모든 netJACK 지원

광섬유 케이블용 DIL-32 통신 IC - PROFINET IO-Device

광섬유 케이블이 연결된 간단한 슬레이브 장치를 위한 통신

방열판이 없는 DIL-32 통신 IC - 실시간 이더넷 슬레이브

자체 호스트 프로세서가 없는 단순 슬레이브 장치 지원 통신

DIL-32 통신 IC - 실시간 이더넷 슬레이브

자체 호스트 프로세서가 없는 단순 슬레이브 장치 지원 통신

광통신 적용 netIC 평가 보드 - PROFINET IO-Device

광통신 적용 평가 플랫폼 netIC

광섬유 케이블용 DIL-32 통신 IC - PROFINET IO-Device

광섬유 케이블이 연결된 간단한 슬레이브 장치를 위한 통신

netIC 평가 보드 - 실시간 이더넷 슬레이브

단일 평가 플랫폼으로 모든 실시간 이더넷 프로토콜 지원

DIL-32 통신 IC - 실시간 이더넷 슬레이브

자체 호스트 프로세서가 없는 단순 슬레이브 장치 지원 통신

Our gateways for PROFINET

Media Switch, SPE와 RTE 간의 자유로운 연결

싱글 페어 이더넷(SPE) 네트워크를 실시간 이더넷 프로토콜과 연결

CANopen - 이더넷 게이트웨이

간단한 변환을 위한 비용 효율적인 보급형 게이트웨이

CC-Link IE Field Slave - PROFINET IO-Device 게이트웨이

CC-Link IE Field와 PROFINET 간 데이터 커플링

Real-Time Ethernet - DeviceNet 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

PROFIBUS DP – 이더넷 게이트웨이

간단한 변환을 위한 비용 효율적인 보급형 게이트웨이

Real-Time Ethernet - Real-Time Ethernet ‌게이트웨이

두 개의 실시간 이더넷 네트워크 간의 데이터 전송

Real-Time Ethernet - Modbus RTU, 3964R 또는 직렬(ASCII / 프로그래머블) 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

DeviceNet - 이더넷 게이트웨이

간단한 변환을 위한 비용 효율적인 보급형 게이트웨이

PROFINET / PROFIBUS Proxy 커넥터

PROFIBUS 슬레이브를 PROFINET으로 업그레이드

직렬(ASCII) 또는 Modbus RTU - 이더넷 게이트웨이

간단한 변환을 위한 비용 효율적인 보급형 게이트웨이

Real-Time Ethernet - CC-Link Slave 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

CC-Link 슬레이브 - 이더넷 게이트웨이

간단한 변환을 위한 비용 효율적인 보급형 게이트웨이

Real-Time Ethernet - Ethernet 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

Real-Time Ethernet - PROFIBUS DP 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

Real-Time Ethernet - CANopen 게이트웨이

고난도 변환을 위한 고급 게이트웨이

이더넷 LAN PROFINET IO-Controller

DIN 레일용 LAN-제어 PROFINET IO-Controller

이더넷 LAN 실시간 이더넷 멀티프로토콜

DIN 레일에 대한 LAN-제어 실시간 이더넷 마스터

PROFINET IO Device - SmartWire-DT 게이트웨이

실시간 이더넷 PROFINET 시스템에 SmartWire-DT 연결

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A photo collage showcasing various Hilscher products

턴키 제품에서 고도로 통합된 솔루션 및 보완 소프트웨어에 이르기까지 Hilscher는 산업용 통신을 위한 파트너입니다. 귀사 기계설비 네트워킹을 완전히 새로운 수준으로 끌어올릴 수 있는 방법에 대해 간단히 살펴봅시다!

Communication controllers and printed circuit boards are extensively tested at Hilscher in Germany.

당사는 산업 통신을 가능하게 합니다. 기존의 필드버스에서 실시간 이더넷 및 클라우드까지. 당사의 솔루션은 멀티프로토콜이 가능하고 유연하며 안정적입니다. netX 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 구현 방법 및 당사의 IIoT 플랫폼 netFIELD를 통한 기계 데이터로의 접근 방법에 대해 자세히 알아봅시다.

A photo of the male and female customer support phone operator with different internationality
Customer Center / Sales: Hilscher Korea Inc.

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