Motivation
Der Einsatz von Ethernet-Netzwerktechnologie in der Automatisierungstechnik verspricht geringere Kosten, eine Vereinheitlichung betrieblicher Kommunikationssysteme und eine höhere Leistungsfähigkeit, z.B. für die Integration von Multimedia-Diensten. Für dieses Anwendungsgebiet wurde in einem Kooperationsprojekt der Fachgruppe Schaltungstechnik mit der Phoenix Contact GmbH ein Dualport-Ethernet-Switch entwickelt, der in ein Automatisierungsgerät integriert werden kann.
Endgerät mit Prozess-Schnittstelle und integriertem Dualport-Ethernet-Switch
Implementierung
Eine wichtige Voraussetzung für die notwendige Echtzeitfähigkeit von Ethernet in der Automatisierungstechnik ist der durchgängige Einsatz der Switching-Technologie, um das nicht deterministische Arbitrierungsverfahren zu umgehen. Der entwickelte Ethernet-Switch hat zwei Ethernet-Schnittstellen, mit deren Hilfe die in der Automatisierungstechnik verbreitete Linien- oder Ringtopologie realisiert werden kann. Durch eine interne dritte Schnittstelle des Switches wird die Verbindung zum Endgerät realisiert, so dass der Dualport-Switch gleichzeitig die Netzwerkschnittstelle für das Endgerät darstellt. Wenn zusätzliche Anschlussmöglichkeiten in der Anlage nötig sind, können Mehrport-Switches in die Dualport-Switch-Kette eingefügt werden.
Neben dem in Rechnernetzwerken verbreiteten Store-and-Forward-Switching implementiert der Dualport-Switch auch Cut-Through-Switching, so dass bei höchster Übertragungssicherheit sehr geringe Latenzzeiten erreicht werden können. Die Architektur des Switches ermöglicht es, die Größe der Paket- und Adressspeicher relativ klein zu halten, so dass alle Systemkomponenten auf einem einzigen integrierten Schaltkreis untergebracht werden können. Ein Endgerät im Netzwerk besteht somit nur noch aus einem Baustein, der Endgerätefunktion, Paket- und Adressspeicher sowie den Ethernet-Switch beinhaltet.
Der Dualport-Switch arbeitet auf der Schicht 2 des ISO/OSI-Modells und beherrscht das Ethernet-Protokoll mit VLAN-Prioritäten. Er unterstützt die Synchronisation verteilter Uhren, damit alle Endgeräte auf eine gemeinsame Zeitbasis zurückgreifen können. Die dafür notwendigen Protokolle werden im Endgerät verarbeitet. Weiterhin liefert der Dualport-Switch dem Endgerät Informationen über Netzlast und interne Zustände, damit aufkommende Probleme (z.B. Überlastungen) rechtzeitig erkannt und vermieden werden können.
Dualport-Ethernet-Switch, realisiert mit dem Rapid-Prototyping-System RAPTOR2000
Switch-Demonstrator
Basierend auf einer abstrakten Verhaltensbeschreibung in VHDL wurde der Dualport-Ethernet-Switch simuliert und auf ein Feld-programmierbares Gate-Array (FPGA) abgebildet. Diese Implementierung wurde auf dem Rapid Prototyping System RAPTOR2000 in einem realen 100 Mbps PC-Netzwerk getestet. Für die Validierung des Systems unter Last wurden parallel zur Übertragung eines Video-Datenstroms Sensordaten über den Switch an einen Aktor gesendet. Aufgrund der Integration des Cut-Through-Switching konnte die Latenzzeit für die Paketübertragung auf 2µs minimiert werden. Bei der Sensordaten-Übertragung tritt ein geringer Jitter auf, da ein Videopaket, dessen Übertragung bereits begonnen hat, ein Sensordatenpaket im Switch aufhält. Aufgrund der optimierten internen Struktur unseres Switches konnte diese unvermeidliche Verzögerung auf ein Minimum reduziert werden.
