PROFINET gestito (disponibile sul mercato) nel laboratorio di prova HARTING (CTS) misurando i ritardi in due tipi di interruttori e in una topologia lineare.
Nella tecnologia di rete, si distinguono due tecnologie di commutazione: Store & Forward e Cut-Through. Molti switch Ethernet industriali operano in modalità Store & Forward, in cui i frame in arrivo vengono temporaneamente memorizzati nello switch prima di essere inoltrati. Nella tecnologia Cut-Through, il frame viene trasmesso non appena viene riconosciuto l'indirizzo di destinazione. La tecnologia Fast Track Switching di HARTING identifica i frame di automazione (ad esempio, PROFINET), assegna loro una priorità rispetto ai frame IT e li inoltra in modalità Cut-Through.

 

È possibile confrontare diverse tecnologie di commutazione determinandone le latenze. Questo parametro, che descrive il tempo che un frame trascorre in uno switch, è definito nei documenti tecnici RFC 2544 e RFC 1242.

Latenza del singolo dispositivo:
in una misurazione comparativa, è stata esaminata la latenza delle lunghezze minime e massime dei frame di 64 byte e 1.518 byte (vedere Tabella 1). I parametri per tutte le misurazioni erano una velocità di trasmissione dati di 100 Mbit/s, una lunghezza massima del cavo di otto metri, traffico dati bidirezionale e l'utilizzo del metodo bit-send per la misurazione della latenza. La tecnologia FTS ha ridotto la latenza a 64 byte a circa la metà di quella della tecnologia Store & Forward, utilizzando come esempio uno switch PROFINET disponibile in commercio. Inoltre, con FTS la latenza è indipendente dalla lunghezza del frame.

Ritardo di frame nella rete:
Il ritardo di frame in una rete dipende da parametri quali latenza, numero di switch in uso, carico di rete, lunghezza del frame, velocità di trasmissione dei dati, topologia, numero di utenti e lunghezza del cavo. Per esaminare questi parametri sono state selezionate configurazioni di misurazione con due o otto dispositivi in ​​una topologia lineare.

 

 

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Con queste configurazioni, è stato simulato uno scenario pratico in cui un controllore (ad esempio, un PLC) accedeva a un attuatore (ad esempio, un'unità disco), mentre contemporaneamente un'applicazione per ufficio percorreva lo stesso percorso di rete (vedere Figura 1). I frame più brevi tipicamente utilizzati nella tecnologia di automazione possono essere influenzati dal traffico di frame IT più lunghi.

È possibile effettuare un confronto tra le tecnologie Store & Forward e Fast Track Switching di HARTING in una configurazione con dispositivi FTS, poiché FTS opera in modalità Store & Forward se non vengono inviati frame di automazione allo switch. Per la misurazione, sono stati inviati frame brevi da 64 byte attraverso una porta e frame lunghi da 1.518 byte attraverso una seconda porta.

Poiché il ritardo di frame dipende dal traffico, è stata fatta una distinzione tra throughput massimo e minimo. Il traffico dati in ingresso è stato scelto in modo da ottenere un throughput massimo del 100% all'uscita del primo switch (Figura 2). Pertanto, il throughput risultante era pari a un carico approssimativo del 5% sulla porta con pacchetti di 64 byte e a un carico approssimativo del 95% sulla porta con pacchetti di 1.518 byte. Le abbreviazioni P e I utilizzate (Figura 2) si riferiscono al preambolo (8 byte) e alla spaziatura interframe (minimo 12 byte) come definito nello standard Ethernet. Il throughput minimo è stato ottenuto aumentando la spaziatura interframe sulla porta per frame lunghi (carico praticamente dello 0%). Le condizioni sulla porta per i pacchetti corti non sono state modificate. Il risultato è stato un throughput di circa il 5%.

Esecuzione dell'esperimento:
Innanzitutto, l'esperimento è stato condotto con frame non accelerati, in modo che le condizioni di Store & Forward fossero molto generali. (I ritardi dei pacchetti brevi da 64 byte sono mostrati nella Figura 3).

L'ampia variazione della latenza cumulativa tra throughput massimo e minimo è particolarmente evidente. Degno di nota è il ritardo massimo del frame misurato in modalità Store & Forward, pari a 887,6 µs. Questo ritardo è dovuto ai frame da 1.518 byte. All'uscita dallo switch, i pacchetti lunghi occupano la porta di uscita per circa 123 µs, causando un ritardo maggiore per i pacchetti corti. Poiché questo collo di bottiglia non si verifica all'ultimo switch, tale ritardo si ripete al massimo sette volte. È stata inoltre registrata una curva di risposta con un throughput relativamente basso del 35%. Il ritardo medio del frame misurato su otto dispositivi era già di 825,5 µs. Ciò indica che, in un'applicazione reale, ritardi di frame ridotti sono raramente raggiungibili con la tecnologia Store & Forward.

L'esperimento prevedeva anche l'invio di frame di automazione alla porta a 64 byte. Il sistema FTS ha riconosciuto e accelerato questi frame. Come in precedenza, frame IT di grandi dimensioni sono stati inviati all'altra porta. I ritardi dei frame sono stati misurati nuovamente in entrambi i casi, al throughput massimo e minimo. Come mostrato nella Figura 3, la variabilità del ritardo dei frame è stata significativamente ridotta. Il ritardo massimo dei frame per otto switch è stato ridotto da 887,6 µs in modalità Store & Forward a 45,1 µs.
Ciò è stato possibile perché la tecnologia FTS consente l'inoltro dei frame di automazione.

Risultati:
I risultati delle misurazioni dimostrano chiaramente i vantaggi di Fast Track Switching di HARTING: utilizzando Fast Track Switching di HARTING, la latenza dei frame brevi è pari solo alla metà di quella osservata con uno switch PROFINET gestito di Classe B convenzionale. Inoltre, questo risultato è indipendente dalla lunghezza del frame. In un esempio applicativo con otto switch in una topologia lineare, è stato dimostrato che la tecnologia FTS trasmette i frame a una velocità significativamente superiore rispetto a Store & Forward. Fast Track Switch riduce notevolmente la dispersione del ritardo di Store & Forward, che dipende fortemente dal carico di rete.

Prospettiva:
Le funzioni di gestione e lo stack PROFINET IO non influiscono sull'analisi delle prestazioni. Tuttavia, lo stack PROFINET IO offre il vantaggio che lo strumento di progettazione consente agli utenti di visualizzare, configurare e diagnosticare lo switch. HARTING offrirà presto switch FTS gestiti che integrano lo stack PROFINET IO, oltre a diverse funzioni di gestione. Lo stack PROFINET IO semplificherà la configurazione e la diagnostica dei dispositivi in ​​un ambiente PROFINET. Negli strumenti di configurazione per la pianificazione di rete, come Siemens Step 7, gli switch vengono integrati nelle librerie dei dispositivi tramite il file GSD. Durante il funzionamento, i dati diagnostici vengono trasmessi all'ambiente di controllo in un formato standardizzato e possono essere consultati dagli utenti come di consueto.

Queste comodità semplificano l'utilizzo dei componenti senza compromettere le prestazioni. Grazie alla tecnologia Fast Track Switching integrata, che ne migliora le prestazioni, un sistema di comunicazione Ethernet standard può ora soddisfare anche i requisiti a livello di campo. Pertanto, il concetto di rete Ethernet convergente, dal livello di controllo a quello di campo, è diventato realtà. HARTING si concentra sistematicamente su questi concetti orientati all'utente con la sua gamma di prodotti IT per l'automazione.

Autori:

Torsten Halstenberg, Ingegnere di laboratorio, Germania, HARTING Technology Group, Questo indirizzo email è protetto dagli spambot. È necessario abilitare JavaScript per visualizzarlo.
Thomas Korb, Direttore Marketing di Prodotto ICPN, Germania, HARTING Technology Group, Questo indirizzo email è protetto dagli spambot. È necessario abilitare JavaScript per visualizzarlo.
Julia Noel, ingegnere di laboratorio, Germania, HARTING Technology Group, Questo indirizzo email è protetto dagli spambot. È necessario abilitare JavaScript per visualizzarlo.

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