Ethernet flexibel mit FPGAs implementieren
Ethernet kommt in der industriellen Produktion immer mehr zum Einsatz. Bei dessen Implementierung in Feldgeräte lässt sich auf unterschiedliche Ansätze zurückgreifen: von einer herkömmlichen Implementierung per ASIC bis hin zu einer modernen FPGA-Architektur. Der erste Teil der Artikelserie im SPS-MAGAZIN geht auf die Verwendung von ASICs ein, während die Teile 2 und 3 die Vorteile von FPGAs aufzeigen.
Industrial-Ethernet-Protokolle übernehmen bei der Kommunikation innerhalb von Automatisierungsanwendungen zunehmend die Rolle von Feldbussen. Unter den verschiedenen Industrial-Ethernet-Protokollen sind Ethercat, Ethernet/IP, Powerlink, Profinet und Modbus TCP diejenigen mit den größten Marktanteilen. Die einzelnen Protokolle basieren auf unterschiedlichen Ethernet- und IT-Standards und sind nicht miteinander kompatibel. Sie stellen Funktionen zur Echtzeitkommunikation zur Verfügung, die bis hin zu isochroner Antriebssteuerung reichen können.
Spezielle Implementierung für harte Echtzeit
Allgemein gesagt bieten dabei diejenigen Protokolle, die mehr Ethernet- und TCP/IP-Standards nutzen, weniger Echtzeitunterstützung, während Protokolle mit harter Echtzeitfähigkeit in der Regel auf speziellen Implementierungen aufsetzen. Hier reicht die Skala von Modbus TCP und Ethernet/IP auf der mehr standardbasierten Seite mit weniger Echtzeitunterstützung bis hin zu Profinet IRT und Ethercat auf der isochronen Seite mit harter Echtzeitfähigkeit und wenig Jitter. Im Grunde ist es möglich, Industrial Ethernet rein in Software zu implementieren. Um jedoch individuelle Anforderungen wie Echtzeitverhalten bei kurzen Zykluszeiten und geringem Jitter oder die Unterstützung verschiedener Netztopologien wie Medienredundanz auf der Basis von Linien- oder Ringtopologien, zu erfüllen, müssen auch spezielle Hardware-Komponenten in die Industrial-Ethernet-Implementierung eingeschlossen werden. Diese Hardware-Komponenten sind für den zeitkritischen Teil der Kommunikation verantwortlich und entsprechend auf der Bit-Übertragungs- und der Sicherungsschicht des OSI-Referenzmodells angesiedelt, während die Vermittlungs-, Transport- und Anwendungsschicht in der Regel in Software realisiert wird (siehe Abbildung 1).
Implementierung mit ASIC oder FPGA
Der Hardware-Anteil eines Industrial-Ethernet-Feldgeräts lässt sich auf verschiedenen Wegen realisieren, die von einer herkömmlichen Implementierung, z.B. aufsetzend auf einen Industrial-Ethernet-ASIC, bis hin zu einer modernen FPGA-Architektur reichen. Dabei kann die FPGA-Technologie durch spezielle Vorteile punkten. Hinsichtlich der eingesetzten Hardware haben Hersteller von Industrial-Ethernet-Feldgeräten allgemein ein Interesse, die Abhängigkeit von einzelnen Zulieferern zu verringern und so weit wie möglich Standardkomponenten zu verwenden. Sie fordern außerdem, dass alle benötigten Industrial-Ethernet-Protokolle durch Verwendung identischer Hardware implementiert werden, sodass sehr hohe Flexibilität gegeben ist. Im Folgenden werden der Implementierungsansatz unter Verwendung von ASICs und der Einsatz einer Software-Lösung untersucht. Die Teile 2 und 3 der Artikelserie (SPS-MAGAZIN 4/2016 und 5/2016) bieten einen Überblick über verschiedene Aspekte und die Vorteile bei der Verwendung von FPGAs für die Implementierung eines Industrial-Ethernet-Geräts.
