Das ControlNet

Zeitsynchrone Übermittlung von Daten

ControlNet, hinter diesem Namen versteckt sich ein Netzwerk, welches für die Zellenebene entwickelt wurde und zeitsynchron Daten übermittelt. Im Bereich der Automationstechnik sorgt dieses System demnach dafür, dass die zyklisch ablaufende E/A-Datenübertragung und die azyklisch ablaufende Datenkommunikation, welche der Konfiguration und dem Hochladen sowie Runterladen von Programmen dient, nebeneinander ablaufen können. Das Besondere hierbei ist die Vermeidung einer negativen Beeinflussung auf Komponenten wie den Durchsatz, den Determinismus oder auch die im Kreislauf vonstattengehende Wiederholbarkeit. Dabei haben die zeitkritischen Daten im Voraus festgelegte Zeitpunkte, in welchen eine gewährleistete Übertragung stattfindet, und auch die maximale Übertragungsgeschwindigkeit des übrigen Datenverkehrs kann vorhergesagt werden. ControlNet entspricht der europäischen Norm EN 50170.

ControlNet - die Installation

Die Spezifikation von ControlNet liegt in den flexiblen Installationsalternativen und den Topologien, welche in Busform, Baumform oder Sternformation auftreten können. Zudem können beliebig viele Geräteabzweigungen an beliebige Stellen gekoppelt werden, ohne dabei einen Mindestabstand zwischen zwei Geräten einhalten zu müssen. Darüber hinaus ist hier auch die Redundanz der Medien enthalten, welche optional zur Steigerung der Verfügbarkeit genutzt werden kann. Im Normalfall besteht das ControlNet aus den folgenden Bestandteilen:

  • Hauptkabel
  • Abzweige
  • Repeater
  • Abschlusswiderstände
  • Bridges

Das Hauptkabel dient beim ControlNet als Bus und nimmt die zentrale Position innerhalb des Systems ein. Ob an dieser Stelle Koaxialkabel oder Kabel des Typs LWL verwendet werden ist irrelevant. Die Verbindung des Hauptkabels mit den Abzweigen erfolgt über jeden einzelnen Knoten des Netzwerks mittels BNC-Steckverbindungen. Die Abschlusswiderstände finden sich am Ende der Kabelsegmente der Abzweige. Die Funktionen des Repeaters bestehen in der Erhöhung der Anzahl dieser Abzweige, in der Erweiterung der Gesamtlänge eines Segments und in der Erstellung einer Topologie mit Ringstruktur, Sternstruktur oder Baumstruktur. Allerdings kann nur eine bestimmte Menge an Repeatern an ein und dasselbe Netzwerk angeschlossen, was überdies von der gewählten Topologie abhängig ist. Letztlich findet sich beim ControlNet noch ein NAP, ein sogenannter „Network Access Port“, der über eine RJ45-Buchse für Konfigurationsarbeiten oder zur Diagnose und Programmierung temporär angeschlossen werden kann.

ControlNet – Bestandteile und Wirkungsweise

Die Basis des Netzwerks liegt auf einem herkömmlichen OSI-Referenzmodell der ISO-IEC 7498-Norm. Die klassischen Bestandteile sind:

  • der Physical Layer,
  • der Data Link Layer,
  • das Network,
  • der Transport Layer,
  • der CIP Application Layer und
  • die Netzwerkmanagement-Funktionen.

Für den Datenaustausch macht sich das Netzwerk das Kommunikationsmodell des Produzenten und des Konsumenten zunutze und anstelle von Quell-und Zieladressen werden die Datenpakete mit einer CID-Kennzeichnung versehen. Der Producer des Kommunikationsmodells legt mithilfe eines Broadcasts ein Datenpaket auf die Leitung und alle relevanten Consumer sind dank der CID-Kennzeichnung in der Lage dieses Paket im selben Moment zu empfangen und die benötigten Daten herauszufiltern, um diese anschließend zu nutzen.

Der Medienzugriff beim ControlNet

Der Medienzugriff erfolgt beim ControlNet über das CTDMA-Verfahren, welches speziell für E/A-Daten und Anlagewerte entwickelt wurde und zudem auch die zeitkritischen Verriegelungssignale bearbeitet. Bei diesen Signalen handelt es sich in der Regel um Nachrichten, die für Programmieranwendungen und zur Konfiguration dienlich sind. Die Basis beläuft sich auf ein Zeitschiebeverfahren, bei welchem die zyklisch ablaufenden Übertragungsintervalle in der NUT, der „Network Update Time“, festgelegt werden. Vorteil bei der NUT ist die Trennung zwischen zyklischen und azyklischen, also zeitkritischen und zeitunkritischen Daten.

Relevant für den Medienzugang ist zudem das implizite Token-Verfahren, welches dafür sorgt, dass jeder individuelle Knoten innerhalb eines jeden Intervalls auf die Medien garantiert zugreifen kann. Dieser Token-Umlauf wird bis zu der Adresse fortgesetzt, welche die höchste Konfiguration vorweisen kann, wobei es sich meist um SMAX oder UMAX handelt. Im neuen NUT-Intervall beginnt dieser Vorgang erneut. Fällt jedoch ein Teilnehmer innerhalb ControlNet aus, so wird ein „Time-Slot“ abgewartet und erst dann wird erneut mit dem Senden begonnen. Kommt es zu einem späteren Zeitpunkt dazu, dass der Teilnehmer wieder nutzbar wird, so reiht er sich problemlos wieder in den Sendeumlauf ein, ohne dass hierfür das Netzwerk angehalten werden müsste. In solchen Fällen, in denen es kein Datenpaket zu senden gibt, wird lediglich ein „Null Frame“ übermittelt. Zudem erfolgt die Busverwaltung dezentral, da es beim ControlNet keinen zentral gelegenen Bus-Scheduler gibt. Allerdings wird innerhalb der Konfiguration die Bandbreite der Übertragung für die zyklischen Daten bereits in Voraus bestimmt. Dieser „Scheduled Service“, der ein zyklischer Dienst ist, muss streng deterministisch sein und eine Reproduzierbarkeit vorweisen können. Die hierfür dann benötigte Zeit orientiert sich nach den Anforderungen, die für eine Applikation zu erwarten sind. Die restliche Zeit, bis die NUT abgelaufen ist, dient dann dem „Unscheduled Service“, also dem Dienst, welcher sich mit dem Transport der zeitunkritischen und azyklischen Daten befasst. Anders als beim zyklischen Vorgang ist das Zeitfenster hier allerdings nicht mit bestimmten Knoten verbunden, sondern wird nur bei Bedarf seitens eines Teilnehmers genutzt. Dies hat die Konsequenz, dass die Datenübertragung innerhalb des azyklischen Dienstes keine Auswirkungen auf die Daten des zyklischen Dienstes hat. Das Ende der NUT markiert die Übermittlung der Synchronisationsdaten.