CC-Link IE

CC-Link IE

Echtzeit auf der Feld- und
Applikationsebene

Schon heute erfordern viele Automatisierungsnetze einen hohen Grad an Echtzeitverhalten – ein Trend, der sich weiter verschärfen wird. Das gilt sowohl für die Systemkommunikation, als auch für die Applikationsebene, die Daten entgegen nimmt, verarbeitet und über die Kommunikationsschnittstelle zur Verfügung stellt. Mit der Integration eines CC-Link IE Field Controllers werden Echtzeitanforderungen automatisch für die Kommunikation erfüllt. Aber was ist mit der Applikationsseite?
Der Begriff Echtzeitverhalten wird in der Automatisierung häufig verwendet, um die Eigenschaft zu beschreiben, auf Ereignisse unmittelbar und schnell zu reagieren. Neben einer kurzen Verzögerungszeit (Delay) muss in Systemen der Begriff Echtzeit jedoch um weitere Parameter erweitert werden. Ein wichtiger Zeitaspekt ist die Abweichung von der oben aufgeführten Verzögerung. Die Zeit, die ein System zum Reagieren oder Umschalten eines Zustandes benötigt, sollte zum einen immer kurz sein. Sie sollte darüber hinaus auch immer gleich groß sein und idealerweise keine bzw. nur extrem geringe Abweichungen (Jitter) aufweisen. Ein solches Verhalten ist die Basis für ein deterministisches System und damit wichtig für geplante und extrem schnelle Abläufe innerhalb einer Maschine.

Zeitisochron mit CC-Link IE

Ein weiterer Aspekt beschreibt die Isochronität, also quasi die Gleichzeitigkeit innerhalb eines verteilten Systems, in dem die einzelnen Teile über ein Netzwerk verbunden sind und darüber kommunizieren und Daten austauschen. Das Protokoll CC-Link IE garantiert neben seiner hohen Datenrate und die damit verbundene kurze Übertragungszeit, dass die im Netzwerk unterschiedlich groß auftretenden Verzögerungen für jeden einzelnen Netzwerkknoten exakt mit einbezogen werden und so per Definition die Grundlage für die Isochronität schafft. Mit dem R-IN32M3-CL erfüllt Renesas diese Echtzeitanforderungen auch in der Applikation eines CC-Link-IE-Netzwerkknotens. Neben dem Field Controller und einer ARM-Cortex-M3-CPU sind weitere Hardware-Beschleuniger integriert. Mit diesen ist der Chip in der Lage, gleichzeitig die CC-Link-IE-Kommunikation sowie eine Applikation mit geringen Verzögerungszeiten und Jitter bei niedrigem Stromverbrauch zu verarbeiten.

Echtzeit auf der Applikationsseite

Mit dem CC-Link IE Field Controller ist der R-IN32M3-CL darauf ausgelegt, mit minimalen Zeitabweichungen bei gleichzeitiger Einhaltung der Isochronität im Netzwerk zu kommunizieren. Dieses Verhalten muss auch auf der Applikationsseite in einem Netzwerkknoten entsprechend weiter geführt werden, damit das Gesamtsystem echtzeitfähig ist. In der Applikation werden üblicherweise Sensoren und Aktoren über entsprechende Algorithmen, Programme und Interfaces von einem CPU-System angesteuert. Überträgt man hier die Anforderungen auf eine allgemeingültige Software-Struktur, müssen die darin laufenden Tasks mit extrem kurzer Verzögerung mit geringem Jitter deterministisch umgeschaltet werden. Um das mit einer CPU zu erfüllen, gibt es prinzipiell mehrere Ansätze z.B. mit einer Erhöhung der CPU-Performance. Doch kommt es hierbei neben weiteren Nachteilen auch zu einem deutlichen Anstieg der Verlustleistung. Renesas hat deshalb mit dem Hardware-RTOS-Beschleuniger (HW-RTOS) einen neuen Ansatz gewählt. Er unterstützt die CPU beim Task-Scheduling und weiteren typischen RTOS-Funktionen. Dazu zählen entsprechende Task-Priorisierungen, Task-Synchronisation über Event-Flags, Semaphore und Mailboxen sowie ein allgemeines Task- und ZeitManagement. Darüber hinaus können mit dem HW-RTOS bestimmte Funktionen auch direkt und ohne Einbeziehung der CPU über Interrupts aktiviert werden. Insgesamt erreicht diese Implementation durchschnittlich eine um den Faktor fünf schnellere Task-Umschaltzeit als bei vergleichbaren Architekturen mit reinem Software-Ansatz möglich ist. Die Renesas-Architektur kommt zudem mit einer niedrigen Verlustleistung aus bei gleichzeitig hoher Stabilität. Die hohe Integration des R-IN32M3-CL bietet neben dem Echtzeitverhalten und einer Multiprotokoll-Fähigkeit noch weitere Vorteile. Ein voll funktionsfähiger CC-Link-IE-Netzwerkknoten lässt sich mit nur sehr wenigen Bauteilen und geringem Platzaufwand aufbauen. Dieses vereinfacht das Schaltungs- und PCB-Design erheblich und erleichtert somit die spätere Zertifizierung für einen schnellen Markteintritt des neuen Systems.

Renesas Electronics Europe GmbH
www.renesas.eu/r-in

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