Huawei und Beckhoff geben Technologieausblick

Echtzeit-Kommunikationstechnologien

Huawei und Beckhoff geben Technologieausblick

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X-Ethernet, Deterministic-IP oder 5G Wireless – es lohnt sich, solche Technologien im Hinblick auf den Einsatz in Industrie-4.0- und IoT-Szenarien zu evaluieren. Beckhoff kooperiert dazu mit Huawei, um das Potenzial neuartiger Echtzeit-Kommunikationstechnologien für die industrielle Automation zu erkunden. Als Kommunikationsprotokoll bleibt dabei weiter Ethercat im Einsatz, was die Integration in der Fabrik von Morgen erleichtert. Gleichzeitig erfolgt damit der Brückenschlag von der OT- zur IKT-Industrie – eine der Voraussetzungen, um Industrie 4.0 erfolgreich zu realisieren.

Dr. Guido Beckmann, Senior Management Control System Architecture & International Key Account, und Thomas Rettig, Senior Management Control System and Communication Architecture, beide Beckhoff Automation

Switching- und Routing-Verfahren sowie die 5G-Mobilfunktechnologie stehen im Zentrum einer Kooperation von Beckhoff mit dem Telekommunikationsspezialisten Huawei, um zu untersuchen, ob sich diese Technologien für Aufgaben der modernen Produktionssteuerung nutzen lassen. Dazu müssen Maschinen- und Produktionsdaten von der I/O- bis in die Cloud-Ebene transportiert werden, was eine auf allen Ebenen durchgängige und deterministische Kommunikation voraussetzt. Ziel ist hierbei, durch einfache Konfiguration Bandbreite zu reservieren und dadurch geringe Verzögerungen mit kleinem Jitter zu garantieren. Die untersuchten Technologien dienen dabei ‚lediglich‘ dem echtzeitfähigen Routing der Daten durch ein heterogenes Netzwerk. Das eigentliche Kommunikationsprotokoll – Ethercat – bleibt erhalten und ermöglicht somit eine nahtlose Integration vorhandener Ethercat-Segmente und die Nutzung der großen Ethercat-Gerätevielfalt. In der Feldebene bietet der anerkannte Kommunikationsstandard die Möglichkeit, entsprechende Geräte unterschiedlichster Hersteller interoperabel einzubinden.

Ethercat ist durch sein Funktionsprinzip besonders für eine Integration in heterogene Netzwerke geeignet: Üblicherweise reicht ein Ethernet-Telegramm, um alle Teilnehmer in einem Ethercat-Segment zu erreichen. Daher muss zwischen einer abgesetzten Ethercat-Steuerung und dem Segment der Ethercat-Geräte nur dieses eine Telegramm geroutet werden, und nicht – wie bei anderen Technologien – jeweils ein Telegramm zu jedem Teilnehmer im Segment.

Bislang wurden innerhalb der Kooperation drei Kommunikationstechnologien in Augenschein genommen:

  • X-Ethernet: Zwischen dem Physical Layer und dem MAC-Controller definiert die Ethernet-Spezifikation IEEE 802.3 die Kodierung der Symbole. Auf dieser Coding-Ebene werden Datenströme zwischen den X-Ethernet-Switchen weitergeleitet – quasi auf Schicht 1,5 des ISO/OSI-Schichtenmodells.
  • Deterministic-IP: Durch eine Bandbreitenreservierung für IP-basierte Netzwerke (Schicht 3) werden deterministische Latenzzeiten im Bereich von unter 50 µs erreicht.
  • 5G Wireless: Die 5G-Mobilfunktechnologie verspricht neben einem höheren Datendurchsatz auch kurze Latenzzeiten im Bereich von 1 ms sowie eine hohe Zuverlässigkeit der Übertragung. Ein Routing erfolgt üblicherweise auf IP-Ebene, Ansätze auf Layer 2 für die Endgeräte existieren aber ebenfalls.

In Abbildung 2 sind die untersuchten Technologien und ihre Einordnung im ISO/OSI-Layer dargestellt. Die TSN-Technologie (Time Sensitive Networking) reiht sich hier nahtlos ein. Die Verwendung von Ethercat in einem TSN-Netzwerk ist in einem White Paper bereits beschrieben (Download: hier.pro/tlK4N) und wird innerhalb der Ethercat Technology Group (ETG) spezifiziert.

X-Ethernet – Layer-1,5-Switching

X-Ethernet verarbeitet Bit-Blöcke mit einer festen Länge und leitet diese auf dem PCS (Physical Coding Sublayer) von einem Port zum nächsten weiter. Genutzt wird die PCS-Kodierung, z. B. 8B/10B oder 64B/66B, gemäß der Norm IEEE 802.3 als Fragmentierungsblock. Durch die feste Länge der Bit-Blöcke ist der Jitter extrem klein ( 100 ns). Zudem wird dieser nicht durch eine variable Telegrammlänge bestimmt, wie es bei einem Switching auf Layer 2 standardmäßig der Fall ist. Im X-Ethernet-Switch werden sogenannte Pipes mit der benötigten Datenrate je Datenstrom konfiguriert. Ein Store-and-Forward oder die Entscheidung durch eine MAC/IP-Tabelle sind nicht notwendig, Datenstaus in Ausgangspuffern kommen nicht vor.

Am besten wird das Prinzip an einem Beispiel deutlich: In der in Abbildung 3 dargestellten Demonstration wird eine 100-Mbit/s-Pipe vom Ethercat-Master durch die beiden X-Ethernet-Switche zum Ethercat-Segment konfiguriert. Zwischen den X-Ethernet-Switchen besteht eine Gbit/s-Verbindung. Daher kann parallel zum Ethercat-Verkehr beispielsweise eine Pipe für einen Video-Stream zur Bildverarbeitung durch die X-Ethernet-Switche konfiguriert werden. Hierbei steht entweder die restliche Bandbreite von 900 Mbit/s zur Verfügung – oder auch z. B. nur 600 Mbit/s, so dass noch 300 Mbit/s für weiteren Echtzeitverkehr oder für eine asynchrone nichtpriorisierte Kommunikation übrigbleiben. Für die asynchrone Kommunikation steht immer der nicht reservierte Teil der 1-Gbit/s-Verbindung zur Verfügung – auch lange asynchrone Telegramme stören die Echtzeitkommunikation nicht.

In der Beispielapplikation wurde mit einer einfachen Konfiguration der X-Ethernet-Switche eine virtuelle 100-Mbit/s-Ethercat-Pipe eingerichtet. Standard-Ethercat-Telegramme konnten ohne weitere Anpassung im Master durch das Netzwerk geroutet und vom Standard-Ethercat-Segment verarbeitet werden. Die SPS-Applikation erreichte dabei eine Zykluszeit von 50 µs. Durch den sehr kleinen Jitter der X-Ethernet-Switche von unter 20 ns und einer Latenzzeit kleiner 3 µs funktioniert auch die Zeitsynchronisierung im Ethercat-Segment per Distributed Clocks ohne weitere Anpassungen: Die beiden Toggle-Ausgänge vor und hinter dem X-Ethernet-Netzwerk schalten mit einem Jitter und einer Gleichzeitigkeit von  100 ns – das X-Ethernet-Netzwerk wird hierbei quasi wie ein (langes) Kabel betrachtet.

Für Anwendungen mit einer parallelen Standard- und Multi-Echtzeit-Kommunikation in heterogenen Netzwerken ist X-Ethernet – an dessen Standardisierung und Verbreitung Huawei derzeit arbeitet – eine gute Technologie. Die Konfiguration der Datenströme (Pipes) ist einfach möglich und die Echtzeiteigenschaften sind hervorragend. Eine abgesetzte Steuerung kann durch das Netzwerk mit einem oder mehreren Ethercat-Segmenten (Maschineneinheiten) in Echtzeit Daten austauschen. Geschlossene Regelkreise für eine hochdynamische Antriebsapplikation sind ebenfalls möglich.

Deterministic-IP (DIP) – Layer-3-Routing

Wenn Maschinenmodule oder -zellen über Router vernetzt werden, um die Kommunikation logisch in Subnetze zu trennen, ist ein Switching auf Layer 2 (oder darunter) nicht mehr ausreichend. Trotzdem werden in den Anwendungen Echtzeiteigenschaften benötigt, z. B. für die Anbindung an einen Edge-Controller, der eine Online-Analyse von Maschinendaten durchführt, oder wenn eine Maschinensteuerung abgesetzt von der eigentlichen Maschine in einem Serverraum erfolgen soll.

Die Berechnung eines Maschinenmodells (Digital Twin) in einem Edge-Server benötigt beispielsweise zur Überwachung einer Anlage eine deterministische Reaktionszeit auf die aktuellen Prozesswerte: Die aktuellen Istwerte der Maschine oder Anlage müssen an den Edge-Server im Zyklustakt gesendet und mit den im Maschinenmodell erwarteten Werten verglichen werden. Der Ausgangsvektor muss dann wiederum mit geringer Latenz an die Maschine gesendet werden, um angepasste Einstellungen zur Optimierung zu aktivieren.

Deterministic-IP – dessen Spezifikation bereits beim Europäischen Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) eingereicht wurde – bietet hierfür Echtzeit-Dienste in IP-basierten Netzwerken auf Layer 3. Die angeschlossenen Endgeräte können über einen definierten IP-Options-Header ihre benötigte Bandbreite in den DIP-Routern anfordern und reservieren. Dadurch wird eine End-2-End-Bandbreite und -Verzögerung bereitgestellt und von den Routern garantiert (siehe Abbildung 4). Eine Weiterleitung dieser Daten ist in den Routern mit einer garantierten Verzögerung kleiner 50 µs möglich. Hierbei achtet jeder Router darauf, zuerst die Nachricht mit der geringsten Zeitreserve weiterzuleiten. Die Teilnehmer können für eine flexible Produktion auch umgesteckt werden – beim Hochlauf der Verbindungen wird die Bandbreite erneut angefordert und bereitgestellt.

Auf IP-Ebene bietet sich ebenfalls die Nutzung des Ethercat-Protokolls an, da jeder Ethercat-Teilnehmer laut Spezifikation auch Ethercat-Telegramme eingebettet in einem UPD/IP-Telegramm verarbeitet. Die Ethercat-Spezifikation bezeichnet dies als Open Mode. Lediglich der erste Teilnehmer im Ethercat-Segment, der an einen DIP-Router angeschlossen wird, muss die Auswertung des IP-Protokolls unterstützen.

Beckhoff hat hierfür z. B. den Ethercat-TSN-Koppler EK1000 (siehe Abbildung 5) vorgesehen, der neben der MAC-Adressierung auch die IP-Adressierung unterstützt. Der Koppler verfügt über zwei Ethernet-Schnittstellen. Einer dieser Ports verbindet den Koppler mit dem Ethernet-Netzwerk. Der EK1000 übernimmt dabei den Austausch des Telegramms vom Ethernet- an den Ethercat-Port mit minimaler Durchlaufverzögerung. Alle anderen Teilnehmer im Ethercat-Segment sind Standard-Ethercat-Teilnehmer.

In einer Beispielapplikation wurde eine Server-PLC über ein DIP-Netzwerk mit einem Ethercat-Segment mit dem Koppler EK1000 verbunden und darüber eine Motion-Anwendung mit 2 ms Zykluszeit und DC-Synchronisierung realisiert. Die Ethercat-Telegramme wurden im Ethercat-Master in ein UDP/IP-Paket eingebettet, in das DIP-Netzwerk gesendet und vom EK1000 empfangen, der die Telegramme direkt in das Ethercat-Segment weiterleitete. Im EK1000 sowie im Ethercat-Master wurde hierfür lediglich eine Erweiterung des IP-Stacks des DIP-Options-Header implementiert, um die notwendige Bandbreite in den Routern anzufordern.

Eine flexible Produktion mit häufiger Umkonfiguration des Produktionsprozesses erfordert eine flexible Konfiguration der Kommunikationsnetze. Deterministic-IP bietet auf Layer 3 die Möglichkeit, die Anforderungen der Teilnehmer an kurze Latenzzeiten und eine deterministische Übertragung zu garantieren. Dies gilt auch, wenn geroutete Subnetze gefordert werden – z. B. aufgrund von IT-Anforderungen oder WAN-Kommunikation zwischen den Zellen oder Hallen einer Produktionsanlage.

5G Wireless – die nächste Mobilfunkgeneration

Im Zusammenhang mit Industrie 4.0 oder dem Internet der Dinge (IoT) wird häufig die drahtlose Kommunikation auf Basis der 5. Generation Mobilfunktechnik (5G) als eine Schlüsseltechnologie genannt. Tatsächlich verspricht 5G sehr gute Eigenschaften: Neben einer extrem hohen Bandbreite sollen kurze Verzögerungszeiten der Nachrichten zwischen den Stationen sowie eine hohe Zuverlässigkeit in der Datenübertragung realisierbar sein – und zwar für viele Teilnehmer und auf engstem Raum. Diese Eigenschaften, die bei heutigen drahtgebundenen Netzwerken selbstverständlich sind, lassen eine Nutzung dieser Kommunikationstechnologie für die Automatisierungstechnik interessant erscheinen.

Einer der Hauptunterschiede zwischen der nächsten Generation von Mobilfunknetzen – der 5. Generation – und den bestehenden Technologien liegt darin, dass 5G einen starken Fokus auf Maschinentyp-Kommunikation und IoT legt. Die Fähigkeiten von 5G reichen somit weit über das mobile Breitband mit immer höheren Datenraten hinaus. Die internationale Telekommunikationsunion (ITU) definiert Ziele für die nächste Mobilfunkgeneration, u. a. mit folgenden Schlüsselfunktionen:

  • erweitertes mobiles Breitband (enhanced Mobile BroadBand, eMBB):
    Spitzen-Datenrate: 20 Gbit/s (10 Gbit/s Uplink)
    Standard-Datenrate: 100 Mbit/s (50 Mbit/s)
  • ultrazuverlässige und latenzarme Kommunikation (Ultra-Reliable and Low-Latency Communication, URLLC):
    Übertragungszeit zwischen zwei Teilnehmern maximal 1 ms
    Mindestanforderung für die Zuverlässigkeit ist 1 x 10-5
  • massive Maschinentyp-Kommunikation (massive Machine Type Communication, mMTC):
    Mindestanforderung für die Verbindungsdichte ist 1 Mio. Geräte pro km2

Leider stehen diese Eigenschaften nicht alle gleichzeitig zur Verfügung, da sie sich technologisch gegenseitig ausschließen. Das bedeutet, ein Sensor (Condition Monitoring) wird darauf ausgelegt sein, möglichst wenig Energie zu benötigen, um eine lange Laufzeit zu garantieren (mMTC), wohingegen es für einen mobilen Roboter wichtig ist, zuverlässig und kurzzyklisch neue Soll- und Istwerte mit der Steuerung auszutauschen (URLLC). Um die Eigenschaften trotzdem parallel in einer Netzwerkstruktur nutzen zu können, wurde in 5G ein neues Konzept – das Network Slicing – eingeführt. Es ermöglicht, viele logische/virtuelle Netzwerke für unterschiedliche Use-Cases gleichzeitig auf einer gemeinsamen physikalischen Netzwerkinfrastruktur zu betreiben.

Eine Nutzung der 5G-Technologie in einer flexiblen Produktion mit mobilen Transportfahrzeugen, der Anbindung der Logistik und gleichzeitiger Steuerung der Produktionslinien (siehe Abbildung 6) scheint somit möglich.

Auf der Hannover Messe 2018 hat Beckhoff in einer Kooperation mit dem X-Lab von Huawei einen Demonstrator gezeigt, der die Eigenschaften der 5G-Technologie auf die Probe stellt. Zwei Steuerungen wurden über eine 5G-Verbindung miteinander gekoppelt. Eine davon steuerte ein XTS (eXtended Transport System) von Beckhoff als passives Antriebssystem, das vom Anwender manuell bewegt werden konnte und die Ist-Position der XTS-Mover als Referenz der zweiten Steuerung zur Verfügung stellte. Die zweite Steuerung folgte synchron der Bewegung des Manipulators. Die Zykluszeit zwischen den Steuerungen betrug 2 ms (NC-Zyklus) und die Latenz zwischen den beiden 5G-Switchen lag bei 1,1 ms für 130 Byte Daten (URLLC). Als Protokoll zwischen den Steuerungen wurde das Ethercat Automation Protocol (EAP) genutzt – in einem Raw-Ethernet-Telegramm auf Layer 2 (Wireless Switching). Parallel zu diesem Echtzeitverkehr wurde ein IP-Video von der zweiten Steuerung auf die erste übertragen (eMBB), um dort die nachgeführte Bewegung beobachten zu können.

5G wird derzeit in den Arbeitskreisen der 3GPP spezifiziert. Die genannten Eigenschaften sollen im sogenannten Release 16 bis Ende 2019 standardisiert werden und anschließend in die Anschaltungen der Chip- und Gerätehersteller einfließen. Um sicherzustellen, dass die spezifischen Bedürfnisse und Anforderungen der Fabrikautomation von der Telekommunikationsbranche angemessen verstanden und berücksichtigt sowie die 5G-Fähigkeiten von den vertikalen Branchen in vollem Umfang erkannt und ausgenutzt werden, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen allen relevanten Akteuren erforderlich. Aus diesem Ansinnen heraus haben sich in der neu gegründeten Allianz ‚5G Alliance for Connected Industries and Automation‘ (5G-ACIA) Unternehmen der OT-Industrie (Operation Technology) mit denen der IKT (Informations- und Kommunikationstechnik) zusammengetan. Ziel ist es, gegenseitig ein besseres Verständnis zu erhalten sowie relevante technische, regulatorische und auch wirtschaftliche Aspekte in Bezug auf 5G für den industriellen Bereich zu bewerten. Beckhoff unterstützt als Gründungsmitglied die Ziele dieser Allianz. co

www.beckhoff.de

Details zum Ethercat-TSN-Koppler EK1000:
hier.pro/F1lnA

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