Echtzeit-Ethernet-Entwicklung

Wie unterstützt AEI bei der Integration von Echtzeit-Ethernet-Protokollstacks?

Wir übernehmen die Integration von Echtzeit-Ethernet-Protokollstacks in industrielle Geräte: Wir entwickeln, portieren und optimieren sie und bereiten sie mit einer Vorzertifizierung, also eigenen Tests vor der formalen Prüfung, auf die Zertifizierung vor.

Unsere Kunden sind Gerätehersteller, Maschinenbauer und Chiphersteller. Wir arbeiten mit PROFINET (einschließlich IRT Klasse C), EtherCAT, Ethernet POWERLINK, EtherNet/IP und IEEE 802.1 TSN auf FPGA, SoC, Anwendungsprozessor, MCU und Echtzeit-Linux. Unser Team hat Software-Master mit einer Zykluszeit von 80 µs entwickelt. Außerdem haben wir eine herstellerübergreifende PROFINET-IRT-Registersteuerung mit Anwendungssynchronisation umgesetzt: Pulsgesteuerte Vorgänge auf verschiedenen Geräten laufen höchstens 3 µs auseinander, wobei Hardwarebeschleunigung das Timing übernimmt. Typische Projekte sind:

• Ein Stack wird entwickelt oder portiert und mit seiner Build-Umgebung übergeben.
• Ein vorhandener Stack wird optimiert, bis er die Zykluszeit hält, die Ihre Anwendung braucht.
• Ein Chip ohne bisherige Industrial-Ethernet-Unterstützung wird in Betrieb genommen, als Referenzimplementierung, die ein Hersteller veröffentlichen kann, mit einem Beispiel-Framework als Ausgangspunkt für seine Kunden.
• Ihre Ingenieure werden geschult auf Plattform und Protokoll, und die erste Implementierung entsteht gemeinsam mit ihnen.

Wir entwickeln die Protokollintegration; das Produkt und die Kundenbeziehung bleiben bei Ihnen. Die Arbeit reicht von der Protokollauswahl bis zur Vorzertifizierung:

• Bei der Auswahl berücksichtigen wir den Anlagenbestand Ihrer Kunden, Ihre Zielmärkte, Ihre Chip-Roadmap und die Zertifizierungskosten. Am Ende steht ein Prototyp auf Ihrer Hardware.
• Die Portierung umfasst den Protokollstack, den zugehörigen Treiber und die Build-Umgebung.
• Die Optimierung ist Messarbeit: Zykluszeit und Jitter unter Last, auf der Hardware, die ausgeliefert wird.

Anlagen nehmen wir nicht vor Ort in Betrieb. Wir entwickeln die Protokollintegration in Ihrem Produkt und integrieren und testen sie gemeinsam mit Ihren Ingenieuren. Während der Integrations- und Testphase arbeiten wir vor Ort mit Ihnen, danach remote.

Wie wählen Sie zwischen PROFINET, EtherCAT, EtherNet/IP und POWERLINK?

Jedes davon ist irgendwo die richtige Wahl, und entschieden wird meist nicht am Protokoll.

Entscheidend ist der Anlagenbestand Ihres Kunden und das, was in seinen Ausschreibungen steht.

Unser Team hat Geräte- und Master-Projekte in allen diesen Familien ausgeliefert. Wir empfehlen also nicht das Protokoll, das wir zufällig kennen. Geht es um lange Sensorleitungen bei geringer Leistung und nicht um eine kurze Zykluszeit, fällt die Entscheidung auf der physikalischen Schicht, bei 10BASE-T1L und Ethernet-APL, und nicht beim Protokoll darüber.

Welche Zykluszeiten sind auf Ihrer Hardware erreichbar?

Datenblatt und ausgelieferte Systeme gehen hier auseinander, deshalb nennen wir gemessene Werte.

Ein Beispiel: Für POWERLINK-Managing-Nodes hat unser Team den Standard-Testaufbau von openPOWERLINK um die Anwendungsgruppen erweitert, für die Kunden tatsächlich bauen. 250 µs für Motion und Robotik mit 3 bis 10 gesteuerten Knoten bei 32 Byte je Zyklus, 1 ms für Maschinen-E/A mit 10 bis 20 Knoten bei 64 bis 128 Byte und 5 ms für Prozessautomation mit 30 und mehr Knoten bei 128 bis 256 Byte. Diese drei Punkte zeigen den eigentlichen Zusammenhang: Zykluszeit, Knotenzahl und Nutzdaten je Zyklus hängen zusammen, und eine Angabe ohne die anderen beiden ist unvollständig. Auf der Master-Seite erreicht ein optimiertes Echtzeit-Linux mit einem auf Determinismus ausgelegten Treiber einen Netzzyklus von 80 µs. Windows ist ein anderes Problem mit einer anderen Lösung und wird auf der Seite zur Systemsoftware behandelt.

Welcher Jitter ist tatsächlich erreichbar?

Den bestimmt die Hardware stärker als das Betriebssystem, sobald die Netzwerkkarte ihren Teil leistet.

• Mit hardwaregesteuertem Senden. Unser gemessener Netz-Jitter liegt bei 40 ns auf einem optimierten Echtzeit-Linux mit einer Intel-i210-Karte. Veröffentlichte Werte für diese Bauart liegen meist näher an 100 ns, und der Abstand ist gewollt: Ein Datenblattwert braucht Reserve für Prozess- und Modellstreuung, ein gemessener Wert nicht. Beide sind richtig; sie beantworten verschiedene Fragen.
• Ohne diese Funktion oder mit abgeschalteter. Dieselbe Software hält etwa 20 µs. Das ist der Wert für eine Standardkarte ohne hardwaregesteuertes Senden, und er ist als Untergrenze nützlich: So viel erreicht ein reines Software-Design, egal wie gut der Scheduler eingestellt ist.

Wie weisen Sie die Genauigkeit der Zeitsynchronisation nach?

Wir messen sie auf dem Pfad, auf dem das Gerät später läuft.

PTP und IEEE 1588 sind schnell versprochen und ebenso schnell falsch integriert, denn eine Synchronisationsgarantie ist nur so gut wie der schwächste Hop. Ein gewöhnlicher Switch mitten in einem sonst geeigneten Netz kann sie aufheben. Wir messen die Synchronisationsgenauigkeit an jedem Hop und zeigen, wo sie nachlässt. Für TSN gilt dasselbe. Qbv-Zeitpläne müssen berechnet, auf jeden Switch übertragen und dann gegen das Verhalten des Netzes unter Last geprüft werden. Dieser Prüfschritt wird am häufigsten ausgelassen, und gerade er findet die Fehlkonfiguration.

Kann man jetzt auf TSN als Standard setzen?

Das Profil, auf das Industriekunden gewartet haben, gibt es jetzt.

• Was sich geändert hat. IEC/IEEE 60802, das TSN-Profil für die Industrieautomation, ist im Juni 2026 erschienen. Vorher konnte „TSN-Unterstützung“ im Datenblatt fast jede beliebige Teilmenge der IEEE-802.1-Funktionen bedeuten, und zwei konforme Geräte konnten trotzdem nicht zusammenarbeiten. Erst ein benanntes Profil macht eine Anforderung in der Ausschreibung formulierbar.
• Was sich nicht geändert hat. Ein Netz wird nicht konform, weil es jetzt ein Profil gibt. Wir testen mit den Geräten, die Sie tatsächlich betreiben, und zeigen, wo sie das Profil erfüllen und wo nicht. So ist die Lücke bekannt, bevor jemand um sie herum entwirft.

Was bringt eine Vorzertifizierung vor dem Labortermin?

Sie spart meist eine zweite Laborbuchung und hält den angekündigten Markttermin.

Eine Konformitätsprüfung ist ein mehrtägiger Laborauftrag, den das Prüflabor je Gerät anbietet und nach Aufwand abrechnet. Innerhalb einer Buchung sind mehrere Testdurchläufe möglich. Fällt ein Gerät durch und muss neu eingereicht werden, gibt es ein neues Angebot, und der Liefertermin ist den Kunden dann schon genannt. Wir testen PROFINET-, EtherCAT-, EtherNet/IP- und POWERLINK-Geräte vorher bei uns mit den Zertifizierungs-Testpaketen und Netzlastklassen der jeweiligen Protokollorganisation und mit denselben Werkzeugen, die das akkreditierte Labor verwendet. Bei der formalen Prüfung sieht dann niemand das Gerät zum ersten Mal scheitern. Das Zertifikat stellt weiterhin das akkreditierte Labor aus.