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Real-Time-Kommunikation

Die Übertragung von Reall-Time-Daten bei Profinet IO basiert auf dem zyklischen Datenaustausch mit einem Provider-Consumer-Modell. Dafür reichen die Kommunikationsmechanismen der Schicht 2 aus. Zur optimierten Verarbeitung von RT-Frames innerhalb eines IO-Devices wurde zusätzlich zum VLAN-Tag nach IEEE802.1Q (Priorisierung von Datenframes) ein spezieller Ethertype eingeführt, der eine schnelle Kanalisierung dieser Profinet-Frames in der übergeordneten Software des Feldgerätes ermöglicht.

Ethertypes werden von IEEE vergeben und sind deshalb ein eindeutiges Unterscheidungskriterium zu anderen Ethernet-Protokollen. Der Ethertype 0x8892 ist in der IEEE spezifiziert und wird bei Profinet IO für den schnellen Datenaustausch benutzt.

Real-Time-Klassen bei Profinet IO

Um die Kommunikationsmöglichkeiten und damit auch den Determinismus bei Profinet IO besser skalieren zu können, wurden Real-Time-Klassen für den Datenaustausch definiert. Aus Anwendersicht handelt es sich hierbei um eine unsynchronisierte und eine synchronisierte Kommunikation. Die Details werden in den Feldgeräten selbständig abgewickelt.

Real-Time beinhaltet bei Profinet automatisch eine Erhöhung der Priorität gegenüber UDP/IP-Frames. Dies ist notwendig, um die Durchleitung der Daten in den Switches zu priorisieren, damit RT-Frames nicht durch UDP/IP-Frames verzögert werden. Profinet IO unterscheidet bei der RT-Kommunikation 4 Klassen, wobei der Unterschied nicht in der Performance, sondern im Determinismus liegt.

RT_CLASS_1
Unsynchronisierte RT-Kommunikation innerhalb eines Subnetzes. Bei dieser Kommunikation sind keine speziellen Adressierungsinformationen notwendig. Der Zielteilnehmer wird nur anhand der "Dest. Addr"identifiziert. Die unsynchronisierte RT-Kommunikation innerhalb eines Subnetzes ist bei Profinet IO die übliche Art der Datenübertragung. Wenn sich der RT-Datenverkehr auf ein Subnetz (gleiche Netz-ID) beschränken lässt, ist diese Variante die einfachste. Dieser Kommunikationsweg ist parallel zur UDP/IP-Kommunikation standardisiert und in jedem IO-Feldgerät implementiert. In dieser RT-Klasse können industrietaugliche Standard-Switches eingesetzt werden.

RT_CLASS_2
RT_CLASS_2-Frames können synchronisiert oder unsynchronisiert übertragen werden. Die unsynchronisierte Kommunikation ist hier genauso zu sehen wie die RT_CLASS_1-Kommunikation.
Bei der synchronisierten Kommunikation wird der Beginn eines Buszyklus für alle Teilnehmer definiert. Damit ist das Zeitraster genau festgelegt, wann Feldgeräte senden dürfen. Dies ist für alle an der Kommunikation beteiligten Feldgeräte in der RT_CLASS_2 immer der Anfang des Buszyklus. Profinet-taugliche Switches müssen bei dieser Kommunikation diese Synchronisation unterstützen. Für diese auf Performance ausgelegte Datenübertragung sind spezielle Hardware-Vorkehrungen zu treffen (Ethernet-Controller/Switch mit Unterstützung der Taktsynchronisation).

RT_CLASS_3
Synchronisierte Kommunikation innerhalb eines Subnetzes. Bei der synchronisierten RT_CLASS_3-Kommunikation erfolgt das Senden der Prozessdaten nach einer genauen, beim Anlagen-Engineering festgelegten, Reihenfolge mit höchster Präzision (maximal erlaubte Abweichung vom Beginn eines Buszykluss ist 1 µs). Diese optimierte Datenübertragung wird auch als IRT-Funktionalität bezeichnet (Isochronous Real-Time oder Taktsynchronität). Bei der RT_CLASS_3-Kommunikation kommt es zu keinen Wartezeiten. Für diese auf höchste Performance getrimmte Datenübertragung sind spezielle Hardware-Vorkehrungen zu treffen (Ethernet-Controller mit Unterstützung der Taktsynchronisation).

RT_CLASS_UDP
Die unsynchronisierte subnetzübergreifende Kommunikation zwischen unterschiedlichen Subnetzen benötigt Adressierungsinformationen über das Zielnetzwerk (IP-Adresse). In dieser RT-Klasse können Standard-Switches eingesetzt werden.

Für RT-Frames ist es ausreichend, Datenzyklen von 5 ms bei 100 Mbit/s im Vollduplex-Betrieb mit VLAN-Tag zu erreichen. Diese RT-Kommunikation kann mit allen verfügbaren Standardnetzwerkkomponenten realisiert werden.