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Performance

Theoretisch erreichbare Zykluszeit
Ein viel diskutiertes Thema ist die Performance der Systeme; dabei wird das Augenmerk auf theoretische Zykluszeiten gerichtet, die das Industrial Ethernet-System erreichen kann. Die kürzeste theoretische Zykluszeit berechnet sich folgendermaßen:

Wenn also ein Master einen Frame ohne Umweg über irgendwelche Teilnehmer direkt an sich selbst versendet, steht der Frame dem  Kommunikationsarchitektur der Systeme  Master erst wieder nach 122 μs (bei einem einzelnen Ethernet Maxi- mal-Frame) ganz zur Verfügung.

Theoretisch könnten natürlich schon Teile des Frames nach Empfang ausgewertet werden. Aber die CRC-Byte kommen erst am Ende des Frames und zeigen damit die Gültigkeit der Daten an. Unberücksichtigt bleiben bei diesem Beispiel die Verzögerungen in den PHYs, Kabeln und Ethernet-Anschaltungen,  Zeiten des Datentransportes innerhalb des Masters etc. Daneben müssen Laufzeiten auf dem Kabel (5 ns/m) und die Verarbeitungszeit im Slave berücksichtigt werden.

Die Auswahl einer zentralen oder dezentralen Architektur muss sehr stark auf zukünftige Ausbaustufen und Anforderungen Rücksicht nehmen. Eine dezentrale Verarbeitung von diversen Regelkreisen hat den Vorteil, dass bei zusätzlichen Teilnehmern die Basiszykluszeit nahezu unbeeinflusst bleibt und somit das Grundkonzept nicht maßgeblich verändert werden muss. Auch haben zusätzliche Funktionen wie Condition Monitoring oder integrierte Sicherheitstechnik weniger Einfluss auf das Regelungskonzept als bei zentralen Architekturen, die sehr stark auf geringe Datenmengen angewiesen sind.

Für die Zukunftssicherheit einer Lösung sollte man bei Taktzeiten unter 500 μs, sofern möglich, auf eine dezentrale Auswertung der Regelkreise achten, speziell im Antriebsbereich.

 

Kommunikationsarchitektur der Systeme

Direkter Querverkehr
Direkter Querverkehr bietet speziell bei hohen zeitlichen Anforderungen an das System entscheidende Vorteile: Bei schnellen Antriebssteuerungen lassen sich die Achsen auf unkomplizierte Weise hochgenau synchronisieren, da alle Positionswerte ohne Umweg über einen Master direkt verteilt werden können. Das verringert zum einen das Datenaufkommen und zum anderen stehen die Daten (zum Beispiel der Winkel-Istwert der Achsen) allen beteiligten Teilnehmern im aktuellen Zyklus zur Verfügung. Werden die Daten über den Master geleitet, verzögern sich hingegen zum einen die Daten um einen Zyklus, zum anderen erhöht sich das Datenaufkommen.

Bei POWERLINK und SERCOS III kann der direkte Querverkehr auch von Modulen mit ausschließlicher Slave-Funktionalität ausgeführt werden, bei EtherNet/IP ist dafür ein Modul mit Scanner-Funktionalität erforderlich.

Große Datenmengen
Bei Applikationen, die mit großen Mengen an Prozessdaten umgehen müssen, haben die Durchlaufzeiten bei den Teilnehmern einen großen Einfluss auf die Gesamtzykluszeit. Dagegen lassen sich durch Datenpriorisierung die Zykluszeiten verringern. Dazu werden in Systemen, die diese Mechanismen unterstützen, hochpriorisierte Daten in jedem Zyklus und niedriger priorisierte in jedem n-ten Zyklus abgefragt.

POWERLINK, EtherNet/IP und Profinet haben variable Zykluszeiten fest in der Spezifikation verankert. Bei SERCOS III ist dieses Feature erst kürzlich dazugekommen. Bei EtherCAT kann dies grundsätzlich auch in der Applikation gelöst werden.

Netzwerkbelastung durch Safety-Kommunikation
Safety über Ethernet beruht auf einem zyklischen Austausch geschütz- ter Daten zwischen Safety-Knoten (Not-aus-Taster,  sicherheitsgerich- tete Antriebssteuerungen). Bei den dabei angewendeten Schutzver- fahren werden Daten dupliziert und in sichere „Container“ gepackt. Das erhöht das Datenaufkommen im Netzwerk. Bei Lösungen, die das Summenrahmenverfahren verwenden, wird Rahmenanzahl steigen, während bei der Einzelrahmen-Methode das Datenvolumen in den ohnehin zum Versand anstehenden Rahmen ansteigen wird. Insgesamt wird die theoretisch überlegene Performance des Summenrahmenverfahrens neutralisiert.

Tatsächliche Zykluszeit
Beim Summenrahmenverfahren müssen die Daten zweimal den Controller durchlaufen. Werden also viele Teilnehmer durchlaufen, addieren sich die Durchlaufzeiten erheblich. Damit relativieren sich die von den jeweiligen Organisationen angegebenen Leistungsdaten. Daneben sind bei der Applikationsperformance auch Umsetzungen in den jeweiligen Steuerungen wie zum Beispiel Taskklassen zu berücksichtigen.

Jitter
Ein minimaler Jitter (Taktungenauigkeit) und genaue Kenntnis der Signallaufzeiten sind entscheidend für die Qualität der Regelung in einem Netzwerk. Das setzt eine möglichst genaue Synchronisierung der Netzteilnehmer voraus, die bei den Ethernet-Standards mit verschiedenen Mechanismen erreicht wird: EtherCAT nutzt das mittels eines proprietären Algorithmus im ESC (EtherCAT Slave Controller) realisierte Prinzip der verteilten Uhren, bei POWERLINK sorgt ein einfaches Signal (SoC) für die Synchronisierung.  

Bei EtherCAT, POWERLINK und SERCOS III ist ein nahezu jitterfreies System (< 100 ns) immer gewährleistet. Bei EtherNet/IP lässt sich der Jitter mit spezieller IEEE-1588-Erweiterung in allen Komponenten maßgeblich reduzie- ren. Bei Profinet in IRT-Applikationen kann der Jitter ebenfalls reduziert werden.

Performancevergleich
Ein praktischer Performancevergleich unter den Systemen gestaltet sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenheiten schwierig: EtherNet/IP und PROFINET RT scheiden aus, da sich die Systeme nur für weiche Echtzeit eignen. Bei PROFINET IRT erschweren die obligatorischen Switches und dadurch die abweichenden Applikationsarchitekturen direkt vergleichbare Ergebnisse. Es wurden die Werte auf Basis von veröffentlichten Berechnungsschemata ermittelt.

Als Testszenarien dienten
1. eine kleine Maschine, bestehend aus einem Master und 33 I/O-Modulen (64 Analog- und 136 Digitalkanäle);
2. ein I/O-System mit einem Master, zwölf Ethernet Slaves mit je 33 Modulen (insgesamt wurden in dieser Applikation 2000 Digital- und 500 Analogkanäle berücksichtigt);
3. ein Motion Control-Netzwerk mit 24 Achsen und eine I/OStation mit 110 digitalen sowie 30 analogen I/Os.
POWERLINK ist in den meisten praktischen Applikationen schneller als EtherCAT. EtherCAT ist ausschließlich für Anwendungen mit sehr kleinen Datenmengen optimiert. Bei Anlagen mit größeren Datenmengen steigt die Zykluszeit von EtherCAT überproportional stark an. Bei dezentralen Architekturen (zum Beispiel Motion dezentral) überwiegt bei EtherCAT der Nachteil durch den fehlenden direkten Querverkehr (in beiden Richtungen), was die theoretisch erreichbare Performance erheblich reduziert. Die Integration von EtherCAT direkt im I/O führt ebenfalls zu reduzierten Abtastraten (I/O-System), da sich die Durchlaufzeit durch das I/O direkt auf die erreichbare Zykluszeit auswirkt. Bei POWERLINK und SERCOS III ist dies nicht der Fall. Die Berechnungen für EtherCAT wurden anhand der Publikation von Prytz 20081 durchgeführt. Die Durchlaufzeiten durch den EtherCAT ASIC wurden mit Messungen nochmals verifiziert. Für POWERLINK wurden die Applikationen mit Produkten aufgebaut und mit praktischen Messungen zweifelsfrei bestätigt.

SERCOS III wurde in den Berechnungen nicht berücksichtigt, es ist allerdings davon auszugehen, dass SERCOS III ähnliche Performancewerte wie POWERLINK erreicht und damit in vielen Applikationen schneller als EtherCAT ist.

1 Prytz G., EFTA-Konferenz 2008, A performance ana- lysis of EtherCAT and PROFINET IRT. Referenziert auf der Homepage der EtherCAT Technology Group, www.ethercat.org, 14. 9. 2011.