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Andreas Thamm, Manager Smart Factory bei Renesas Electronics Bild: Georg Krause/Renesas Electronics
Andreas Thamm von Renesas Electronics

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„Wir reduzieren die Reaktionszeit auf weit unter eine Millisekunde“

Text: Harry Jacob für A&D
Je mehr in der Fertigung vernetzt wird, umso öfter kommt es zum Aufeinandertreffen von verschiedenen Kommunikationsstandards. Immer kritischer wird aber auch das Thema Reaktionszeit in der Smart Factory. Andreas Thamm erläutert, wie Multiprotokollfähigkeit und schnelle Echtzeitkommunikation zusammenkommen.
A&D:

Immer mehr vernetzte Geräte, immer höhere Datenmengen. Kann das industrielle Ethernet diese Entwicklung noch lange unter Echtzeitbedingungen verkraften?

Thamm:

Beim Real Time Ethernet kommt es ja in erster Linie auf die Reaktionsgeschwindigkeit an. Die Grenze liegt hier bislang bei etwa 10 Millisekunden. Wenn viele Motoren synchron arbeiten müssen, zum Beispiel an einer langen Produktionslinie, wie bei einem Autobauer, dann wird es kritisch. Die Antriebe sind ja in einer Daisy-Chain vernetzt, in der die Telegramme jeweils weitergereicht werden. Eine weitere Anwendung ist die hochgenaue Steuerung von vernetzten Achsen eines Roboters, um präzise und zeitsynchrone Abläufe zu ermöglichen. Unser Ethernet-Controller R-IN32M bietet die Möglichkeit, solche Applikationen erheblich schneller und mit minimalsten Abweichungen (Jitter) zu betreiben. Damit reduziert sich die Reaktionszeit von 10 auf unter eine Millisekunde, bei Ethercat können unter Umständen sogar weniger als 100 Mikrosekunden erreicht werden. Eine moderne Produktion erfordert eben höchste Geschwindigkeit, und das bei einer noch höheren Genauigkeit.

Wie schafft man das? Die Ethernet-Leitungen werden ja nicht schneller.

Das geht nur über eine Hardware-Beschleunigung im Controller. Wir haben den HW-RTOS Accelerator entwickelt, der im Chip zwischen den Software-Tasks deutlich schneller umschalten kann als mit einem reinen Software-basierten Betriebssystem. Mit einem weiteren Beschleuniger werden z. B. wiederkehrende Aufgaben beschleunigt, die bestimmte Teile der Ethernet-Kommunikation betreffen, zum Beispiel die Verifikationen eingehender und Erzeugung ausgehender Header der Datenpakete. Die Beschleuniger erhöhen nicht nur die Ausführungsgeschwindigkeit, sondern reduzieren auch die gesamte Energieaufnahme. Durch das Abbilden verschiedener Funktionen direkt in der Hardware des Chips muss dessen CPU-Performance nicht so hoch sein für Berechnungen, die normalerweise aus der Software kommen würden. Dadurch können wir ein energiesparenderes Design realisieren, das dann auch deutlich weniger Probleme beim Thema Kühlung macht.

Steht Isochronous Real Time Ethernet im Wettbewerb zu Time-Sensitive Networking oder ist das nicht vergleichbar?

Beide Protokolle stellen ähnliche Eigenschaften auf der Schicht 2 im ISO/OSI-Referenzsystem zur Verfügung. In wieweit sich TSN und Profinet IRT zukünftig annähern, wird als Teil der Industrie 4.0-Arbeitsgruppe der PNO diskutiert.

Auf welchem Weg können Entwickler am einfachsten IRT-Ethernet einsetzen?

Als Plug&Play-Angebot gibt es den TPS-1, mit dem sich Profinet IRT einfach und günstig realisieren lässt. Der IP-Stack sowie weitere Software sind integriert. Die Kosten werden auf den Device-Preis umgelegt, das macht die Sache für den Kunden interessant. Der TPS-1 hat die physikalischen Layer, kurz PHYs, bereits auf dem Chip integriert. Sie sorgen dafür, dass die analogen Leitungsdaten in digitale Signale umgesetzt werden. Diese Integration bringt zudem Vorteile beim Stromverbrauch. Dieser Chip kann allerdings nur Profinet.

Und wenn Multiprotokoll-Fähigkeiten gefragt sind?

Dann kommt der R-IN32M ins Spiel. Dieser unterstützt die Protokolle Profinet, Ethernet/IP, Modbus/TCP, Canopen und wahlweise Ethercat oder CC-Link-IE. Diese Multiprotokoll-Fähigkeiten nutzen wir auch in anderen Renesas-Produkten, beispielsweise der Antriebssteuerung RZ/T1-R. Hier wachsen Kommunikation und Anwendung zusammen, und zudem auch das Thema Safety.

Für Ethercat und CC-Link IE gibt es also unterschiedliche Hardware?

Genau. Die EC-Variante für Ethercat hat 2 PHYs integriert. Sie unterstützt aufgrund der Spezifikation bei Ethercat lediglich Fast Ethernet mit 100 Mbit/s. Demgegenüber hat die Variante R-IN32M3-CL für CC-Link IE keine PHYs integriert, unterstützt dafür aber eine entsprechende Gigabit-Ethernet-Schnittstelle.

Welche Unterstützung bekommen Entwickler bei diesen Chip-Varianten?

Um mit der Entwicklung zu starten, gibt es ein Evaluierungs-Kit, mit verschiedener Beispiel-Software für Applikationen, den entsprechenden Treibern und einem Debugger. Für den Vertrieb der fertigen Lösung muss der Entwickler unter Umständen noch eine Lizenz für den jeweiligen IP-Stack erwerben, den er einsetzen möchte, Profinet, CC-Link IE oder Ethernet/IP. Die Stacks gibt es von zwei Partnern, bei Port und TMG, der Technology Management Group, die Molex-Stacks vertreibt und entsprechenden Support bieten. Renesas hat die Stacks zertifiziert und garantiert, dass sie auf unserer Hardware laufen.

Welche weiteren Unterschiede gibt es zwischen den Angeboten TPS-1 und R-IN32M?

TPS-1 ist als fertige Lösung rein für die Kommunikation konzipiert. Als Hersteller oder Maschinenbauer will man sich nicht mit Kommunikationsschnittstellen befassen müssen – der Mehrwert, um sich von den Wettbewerbern zu differenzieren, liegt an anderer Stelle. Beim R-IN32M kann auf der CPU neben der Kommunikation auch noch die Anwendung selbst laufen.

Gibt es noch weitere Hersteller die IRT-Ethernet unterstützen? Und wie verstehen sich die unterschiedlichen Lösungen miteinander?

Eine ganze Reihe von Anbietern sind mit externen und integrierten IRT-Lösungen für Profinet und Ethercat auf dem Markt. Die Interoperabilität zwischen den Industriellen Ethernet-Produkten verschiedener Hersteller wird regelmäßig getestet.

Wie der Ethernet-Beschleuniger von Renesas mit Multiprotokoll-Funktion sinnvollerweise bereits im Board- und Gerätedesign berücksichtigt werden kann verrät der Beitrag Große Vielfalt mit wenigen Varianten .

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