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POWERLINK – Stack und Mechanismus

Der POWERLINK-Stack

Bei POWERLINK sorgt ein Polling-Verfahren dafür, dass jeder Netzteilnehmer erst zu einem festgelegten Zeitpunkt und nach expliziter Aufforderung senden darf. Zu diesem Zweck wurden bei POWERLINK die übertragungsorientierten Schichten, die normalerweise durch TCP/IP und UDP/IP definiert werden, um den POWERLINK-Stack ergänzt. In diesem Stack sorgt das „Slot Communication Network Management(SCNM) für eine strenge Organisation des Datenaustauschs, wodurch Datenkollisionen – und somit Verzögerungen durch das CSMA/CD-Verfahren – von vornherein ausgeschlossen werden. Da bei der Implementierung des POWERLINK-Stacks der Ethernet-Standard im Kern nicht angetastet wurde, bietet POWERLINK die volle Flexibilität und läuft auf jeder ethernet-fähigen Standard-Hardware.

Der POWERLINK-Mechanismus

Um zu gewährleisten, dass nicht zwei Netzwerkteilnehmer zur selben Zeit senden, erhält ein Industrie-PC, eine SPS oder ein Controller die Funktion des Netzwerkmasters zugewiesen, der bei POWERLINK als „Managing Node“ (MN) bezeichnet wird. Der MN gibt den Zeittakt zur Synchronisation aller Geräte vor und steuert die zyklische Datenkommunikation. Alle anderen Geräte bekommen die Rolle von „Controlled Nodes“ (CN) zugewiesen, die ihre Daten nur nach Aufforderung durch den MN verschicken dürfen. Innerhalb eines Taktzyklus fragt der MN mit „PollRequests“ der Reihe nach die Daten sämtlicher CNs ab. Diese antworten mit PollResponses unmittelbar auf die Anfragen im Broadcast-Modus, so dass jeder Teilnehmer bei einer entsprechenden Konfiguration „mithören“ kann. Ein POWERLINK-Zyklus besteht aus drei Abschnitten: In der „Start Period“ sendet der MN einen „Start of Cycle“ Frame (SoC) an alle CNs, der die Geräte synchronisiert. Der Jitter – die zeitliche Ungenauigkeit – liegt dabei weit unter 1 μs. Im zweiten Abschnitt, der „Cyclic Period“, erfolgt der zyklische isochrone Datenaustausch. Durch Multiplexing kann in dieser Phase eine bessere Nutzung der Bandbreite erreicht werden: Dabei können sich beispielsweise drei Knoten mit weniger zeitkritischen Eigenschaften Zeitabschnitte eines Zyklus so teilen, dass ein Gerät nur den ersten, das zweite Gerät den zweiten und das dritte Gerät den dritten Zyklus in Folge nutzt, um seine Daten zu übermitteln. Die Zuteilung und Erkennung der von mehreren Knoten genutzten Zeitabschnitte erfolgt durch den MN. Mit dem dritten Abschnitt eines Zyklus beginnt die asynchrone Phase. Sie steht für die Übertragung größerer und nicht-zeitkritischer Datenpakete zur Verfügung. Diese Daten, zum Beispiel Anwenderdaten, werden auf die asynchronen Phasen mehrerer Zyklen verteilt. Ebenso können Standard-IP-Frames in den asynchronen Phasen übertragen werden. Die Kopplung von POWERLINK-Echtzeit-Domänen und Nicht-Echtzeit-Domänen (z. B. Intranet) erfolgt über Router. Diese ermöglichen den Austausch der in den asynchronen Phasen übertragenen Daten und IP-Frames zwischen den Domänen. Der Zyklus endet mit der „Idle Period“. Die zeitliche Dauer eines POWERLINK-Zyklus hängt von der Anzahl der Teilnehmer und von der Geschwindigkeit ihrer Signalverarbeitung ab. Verfügen die Schnittstellen der Controlled Nodes über Hardwareunterstützung, können minimale Zykluszeiten von 100 μs erreicht werden.