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Entwurf und Entwicklung eines Simulationsmodellsfür ein neuartiges Echtzeit-Ethernet System im

Industrieeinsatz

Henning Westerholt

Fachgruppe Betriebssysteme und Verteilte Systeme, Universität Siegen

18.1.2007 / Kolloquium zur Diplomarbeit

Henning Westerholt (Universität Siegen) Simulation eines Echtzeit-Ethernet Systems 18.1.2007 1 / 28

Gliederung

1 EinleitungMotivationAufgabenstellung

2 GrundlagenAnforderungen an Echtzeit-NetzwerkeEthernetDiskrete EreignissimulatorenUntersuchung gängiger Echtzeit-Ethernet Ansätze

3 Simulation des EchtzeitnetzwerksAnforderungenEntwurf und ImplementierungErgebnisse

4 Zusammenfassung und Ausblick

Motivation

Fortschreitender Einsatz von Echtzeit-Ethernet in der IndustrieNeuinstallationen, Austausch von alten FeldbussystemenErhebliches Wachstum

Ermöglichung einer durchgängigen KommunikationEffizienzsteigerungenErhöhte Flexibilität

„Gewöhnliches“ Ethernet ist nicht für Echtzeit-Anwendungengeeignet

Zahlreiche Anpassungen notwendigVerständnis von komplexen Systemen anhand von Modellen

Motivation

Aufgabenstellung

Untersuchung von gängigen Echtzeit-Ethernet AnsätzenTechnische Funktionsweise auf den OSI Schichten 1 bis 4Vergleich nach einem aufzustellenden Kriterienkatalog

Auswahl eines geeigneten Simulationssystemsgeeignet für die Simulation eines Echtzeit-NetzwerksVergleich von verschiedenen verbreiteten Frameworks

Entwicklung eines SimulationsmodellsZusammenarbeit mit der ProjektgruppeEntwicklung von HilfswerkzeugenSimulation von ausgewählten Szenarien

Aufgabenstellung

Was ist Echtzeit?

DefinitionHarte Echtzeitsysteme – Reaktion auf eine Eingangsanregunginnerhalb einer bestimmten Zeit

DefinitionWeiche Echtzeitsysteme – Mittelwert der Reaktionszeit über eineZeitspanne nicht größer als ein Maximalwert

DefinitionEchtzeitklasse Einsatz maximale Reaktionszeit

1 Menschliche Überwachungsfunktionen ca. 100 ms

2 „Gewöhnliche“ Automatisierungsfunktionen < 10 ms

3 Motion-Control Anwendungen < 1 ms, Jitter < 1 µs

Was ist Echtzeit?

Anforderungen an Echtzeit-Netzwerke

Erfüllung der spezifizierten LeistungsanforderungenZykluszeit, Jitter und LatenzTopologie und Skalierbarkeit

Sicherheitskritische EigenschaftenZuverlässigkeit und VerfügbarkeitAnpassung an Umgebungsbedingungen

Kompatibilität und OffenheitEinbeziehung von bestehenden Feldbussystemen undgewöhnlichen EthernetNormung und Standardisierungverwendetes Applikationsmodell

Netzwerke in der Automatisierungstechnik

Automatisierungspyramide als Modell einer Fertigung

Aufbau und Funktionsweise der NetzeVerwendung von BustopologienÜberwiegend kleine, aber häufig auftretene NachrichtenImplementierung nur einiger OSI-Schichten

Netzwerke in der Automatisierungstechnik

Automatisierungspyramide als Modell einer Fertigung

Aufbau und Funktionsweise der NetzeVerwendung von BustopologienÜberwiegend kleine, aber häufig auftretene NachrichtenImplementierung nur einiger OSI-Schichten

Einführung in Ethernet

Ethernet allgemeinWeitverbreiteste Technologie zum Aufbau lokaler Netze in der ITDesign folgt einem „best-effort“ AnsatzHeutige Installationen unterstützen hauptsächlich 100 oder1000 MBit/s

100 MBit/s EthernetBezeichnung Wert Anmerkung

Bitdauer 10 ns Übertragungsdauer eines Bits auf der Leitung

IFG 0.96 µs Zeitdauer ab der das Medium als frei angenommen wird

Slot-Zeit 512 Bitzeiten Dauer eines Slots für den CSMA/CD-Algorithmus

Jam-Länge 32 Bit Größe des Jam-Signals zur Kennzeichnung einer Störung

Min. Rahmengröße 512 Bit/ 64 Bytes Minimale Größe eines Frames (ohne Präambel und SFD)

Max. Rahmengröße 1518 Bytes Maximale Größe eines Frames (ohne VLAN Tag)

Einführung in Ethernet

Ethernet allgemeinWeitverbreiteste Technologie zum Aufbau lokaler Netze in der ITDesign folgt einem „best-effort“ AnsatzHeutige Installationen unterstützen hauptsächlich 100 oder1000 MBit/s

100 MBit/s EthernetBezeichnung Wert Anmerkung

Bitdauer 10 ns Übertragungsdauer eines Bits auf der Leitung

IFG 0.96 µs Zeitdauer ab der das Medium als frei angenommen wird

Slot-Zeit 512 Bitzeiten Dauer eines Slots für den CSMA/CD-Algorithmus

Jam-Länge 32 Bit Größe des Jam-Signals zur Kennzeichnung einer Störung

Min. Rahmengröße 512 Bit/ 64 Bytes Minimale Größe eines Frames (ohne Präambel und SFD)

Max. Rahmengröße 1518 Bytes Maximale Größe eines Frames (ohne VLAN Tag)

Simulationsmodelle

Modellbildung zur Untersuchung von SystemenAbbildung von wesentlichen Eigenschaften eines SystemsBeschränkung auf problemrelevante BereicheErstellung eines Gestaltungsmodells, da erst ein Entwurf vorliegt

Charakterisierung von SimulationsmodellenZeitdiskrete vs. kontinuierliche SimulationssystemeEreignisorientierter Ansatz

Beispiele für Simulationssystemens-2OMNeT++

Simulationsmodelle

Einführung in OMNeT++

Darstellung der Benutzerschnittstelle

Ansätze für Echtzeit-Ethernet

Darstellung verschiedener Ansätze

EtherNet/IP und Ethernet Powerlink

EtherNet/IPLösung auf Basis von TCP/IPSynchronisation mittels des IEEE 1588 ProtokollsSlaves können mit Hilfe von Zeitstempel eigenständig handelnEinfache Lösung, dadurch weit verbreitet

Ethernet PowerlinkLösung oberhalb von gewöhnlichem EthernetTraditionelles, bei Feldbussen verbreitetes PollingverfahrenNutzung von Standard Ethernet KomponentenMittlerer technischer Aufwand, recht weit verbreitet

EtherNet/IP und Ethernet Powerlink

EtherNet/IPLösung auf Basis von TCP/IPSynchronisation mittels des IEEE 1588 ProtokollsSlaves können mit Hilfe von Zeitstempel eigenständig handelnEinfache Lösung, dadurch weit verbreitet

Ethernet PowerlinkLösung oberhalb von gewöhnlichem EthernetTraditionelles, bei Feldbussen verbreitetes PollingverfahrenNutzung von Standard Ethernet KomponentenMittlerer technischer Aufwand, recht weit verbreitet

EtherCAT und PROFINET

EtherCATLösung mit modifizierten EthernetEffektives Ausnutzen der Netzwerkkapazität, hohe LeistungAbstriche bei der Kompatibilität zu gewöhnlichen EthernetGeringe Verbreitung

PROFINETLösung mit modifizierten EthernetUmfassende AutomatisierungslösungSwitche sorgen für Einhaltung des AblaufplansErheblicher technischer Aufwand, geringe Verbreitung

EtherCAT und PROFINET

EtherCATLösung mit modifizierten EthernetEffektives Ausnutzen der Netzwerkkapazität, hohe LeistungAbstriche bei der Kompatibilität zu gewöhnlichen EthernetGeringe Verbreitung

PROFINETLösung mit modifizierten EthernetUmfassende AutomatisierungslösungSwitche sorgen für Einhaltung des AblaufplansErheblicher technischer Aufwand, geringe Verbreitung

Anforderungen an das Simulationsmodell

Allgemeine ZieleKorrekte ErgebnisseNachvollziehbarkeit der ErgebnisseMinimierung des Implementierungsaufwandgute Performance des Systemsleichte Testbarkeiteinfache und schnelle Auswertung der ErgebnisseSkalierungsfähigmodularer Aufbau, flexibel erweiterbar

Aufbau des Gesamtssystems

Einteilung in Submodule

Aufbau des Simulationsmodells

Nutzung von vorhandenen Elementen des FrameworksVollständige Neuentwicklung nicht durchführbarAnpassung an vorhandene Struktur

Vorgehenpraktische Versuche innerhalb des SimulationssystemsAnlehnung an PROFINET Funktionsweise

KonzeptionSwitche enthalten die Intelligenz, sorgen für Einhaltung des TDMAEchtzeitteilnehmer kennen nur ihren Zeitschlitz, sendenentsprechendVerkehrsgeneratoren arbeiten komplett unabhängig

Zeitschlitzaufbau

KonzeptionUnterteilung in Echtzeit- und nicht Echtzeit-Bereichzwei SicherheitspufferSicherheitspuffer notwendig durch gewähltes Design undEinschränkungen des Frameworks

Beispielaufbau eines Zyklus

Definition des Simulationsmodells

„NED“ Sprache von OMNeT++import "EtherHost", "EtherHostTDMA", "EtherSwitchTDMA";module MixedLAN

submodules:switch_0: EtherSwitchTDMA;

gatesizes:in[5],out[5];

display: "i=switch2";device_1: EtherHostTDMA;

display: "i=device/pc2";device_2: EtherHostTDMA;

display: "i=device/pc2";connection:

switch_0.out[0] --> delay 0us --> device_1.in;switch_0.in[0] <-- delay 0us <-- device_1.out;switch_0.out[1] --> delay 0us --> device_2.in;switch_0.in[1] <-- delay 0us <-- device_2.out;

endmodulenetwork mixedLAN : MixedLANendnetwork simple Simple endsimple

Konfiguration des Simulationsmodells

XML-Sprache zur Definition des zeitlichen Ablaufplans<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><schedule timeSlotCount="3">

</timeSlot><timeSlot id="1">

</switch></schedule>

Probleme bei der Entwicklung

Komplexität von Framework und SimulationenNutzung von vorhandenen Elementen des FrameworksFehlersuche und -behebung dadurch erschwertSehr große Anzahl an Ereignissen und ZuständenFehler treten oft nur sehr selten bzw. nach längerer Laufzeit auf

Probleme bei der Zusammenarbeit mit ProjektgruppeGenaue Spezifikation des DateiformatsImplizite Annahmen bei der SpezifikationEigene Fehlerdiagnose und -behebung schwierig

Test des SimulationsmodellsUmständlicher und langsamer TestablaufGeschwindigkeit der Ablaufplanberechnung und Konvertierung

Vorführung des Simulationsmodells

Ergebnisse von Szenario „kleines Netzwerk“

Hochlaufphase des Systems

Warteschlange MAC Echtzeitgeräte in Rahmen

Ergebnisse von Szenario „kleines Netzwerk“

Funktionsweise des Zeitmultiplex

Gesendete Rahmen Echtzeitgeräte

Ergebnisse von Szenario „realer Betrieb“

Parameter des Systems200 Teilnehmer im Netz, 87 KommunikationspartnerAufteilung auf vier Linien, die miteinander verbunden sindZykluszeit ca. 1 msNachrichtenperiode 750 µsZeitschlitzlänge 30 µs

Leistung des SystemsGute Auslastung der einzelnen Linien mit ca. 80-90%Gewinn durch die Parallelisierung der Kommunikation etwa 2,5Zykluszeit erlaubt Nutzung für Anwendungennach „Echtzeitklasse 3“

Ergebnisse von Szenario „realer Betrieb“

Parameter des Systems200 Teilnehmer im Netz, 87 KommunikationspartnerAufteilung auf vier Linien, die miteinander verbunden sindZykluszeit ca. 1 msNachrichtenperiode 750 µsZeitschlitzlänge 30 µs

Leistung des SystemsGute Auslastung der einzelnen Linien mit ca. 80-90%Gewinn durch die Parallelisierung der Kommunikation etwa 2,5Zykluszeit erlaubt Nutzung für Anwendungennach „Echtzeitklasse 3“

Ergebnisse von Szenario „Lastgrenze“

Hochlaufphase des Systems

Warteschlange MAC Switche in Rahmen

Ergebnisse von Szenario „Lastgrenze“

Funktionsweise des Zeitmultiplex

Gesendete Rahmen Echtzeitgeräte

Ergebnisse der Simulationen

Echtzeitbetriebeinwandfreie Funktionsweisesehr gute Leistung, die auch höchsten EchtzeitanforderungengenügtAufteilung des Netzes verbessert die Leistung erheblich

Gemischter BetriebFunktionalität ist gegeben, aber VerbesserungspotentialvorhandenDynamischeres Verhalten, das schlecht vorhersehbar isterhebliche Verlängerung der Hochlaufphase

Ergebnisse der Simulationen

Echtzeitbetriebeinwandfreie Funktionsweisesehr gute Leistung, die auch höchsten EchtzeitanforderungengenügtAufteilung des Netzes verbessert die Leistung erheblich

Gemischter BetriebFunktionalität ist gegeben, aber VerbesserungspotentialvorhandenDynamischeres Verhalten, das schlecht vorhersehbar isterhebliche Verlängerung der Hochlaufphase

Zusammenfassung und Ausblick

ZusammenfassungEntwicklung eines Modells eines neuartigen AnsatzesDazu Untersuchung von verbreiteten SystemenModell bietet eine Leistung, die höchsten Anforderungen genügt

AusblickVerbesserungspotential bei Simulationsmodell undHilfswerkzeugenWeiterentwicklung der Simulation oder Erstellung einesHardware-Prototyps

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit – Fragen?Kontakt: [email protected],Arbeit und Code: http://www.skalatan.de/rte/

entwurf und entwicklung eines simulationsmodells für ein ... fileentwurf und entwicklung eines...

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