Bild: Sercos; iStock, Robbie

Ethernet TSN Blick in die Zukunft

21.03.2017

Und die Zukunft fängt morgen schon an. Ethernet TSN läutet eine neue Ära der industriellen Kommunikation ein. Diese Technik erlaubt die zeitgesteuerte Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Hardware und sorgt für eine einheitliche Netzwerkinfrastruktur.

Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking) macht erstmals in der über 40-jährigen Geschichte von Ethernet eine zeitgesteuerte und deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Ethernet-Hardware möglich. Damit liegen die Vorteile von Ethernet TSN auf der Hand. Es kann eine Standard Ethernet-Hardware mit integrierter Echtzeitfähigkeit eingesetzt werden, was in einem breiten Hersteller- und Produktangebot und in niedrigen Kosten resultiert. Gleichzeitig profitieren Hersteller und Anwender von den technischen Weiterentwicklungen von Ethernet wie zum Beispiel höhere Übertragungsraten, Redundanzverfahren oder Funkübertragung. Da Echtzeitkommunikation und normale Ethernet-Kommunikation über eine gemeinsame Netzwerkinfrastruktur übertragen werden können, wird zudem die Konvergenz von Produktions- und IT-Netzwerken ermöglicht. Dadurch ist Ethernet TSN eine Schlüsseltechnologie, um Industrie 4.0 und IIoT-Konzepte praktisch umzusetzen.

Echtzeit-Ethernet heute...

Heutige Echtzeit-Ethernet-Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwar allesamt auf Ethernet basieren. Allerdings benötigen sie zur korrekten Funktionsweise und zum Erreichen einer entsprechenden Übertragungs- und Echtzeit-Performance eine spezielle Hardwareunterstützung. Damit sind diese Systeme nicht konform zu den Standards IEEE 802.1 und 802.3, wodurch die vertikale und horizontale Integration mit Ethernet nicht optimal umgesetzt werden kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Echtzeit-Ethernet-Protokolle in einer gemeinsamen Netzwerk-Infrastruktur nicht koexistieren können, ohne dass die Performance und Echtzeitcharakteristik beeinträchtigt wird.

Verschiedene Echtzeit-Ethernet-Lösungen nutzen die Netzwerkinfrastruktur sogar exklusiv, sodass andere Protokolle über das jeweils unterlagerte Echtzeit-Protokoll getunnelt werden müssen. Allerdings setzt dies ein laufendes beziehungsweise funktionierendes Echtzeit-Protokoll voraus, um mit den Geräten überhaupt kommunizieren zu können. Einen anderen Ansatz verfolgen Echtzeit-Ethernet-Lösungen, die eine Koexistenz mit anderen Ethernet-Protokollen explizit unterstützen und somit multiprotokollfähig sind. Dabei können andere Protokolle sowohl mit als auch ohne das jeweilige Echtzeit-Protokoll genutzt werden. Vertreter dieser Echtzeit-Ethernet-Lösungen sind zum Beispiel Sercos III und Profinet IRT.

... und morgen

Mit Ethernet TSN wird nun eine neue Generation von Echtzeit-Ethernet eingeläutet, denn diese Technologie erlaubt erstmals eine zeitgesteuerte und deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Ethernet-Hardware. Ethernet TSN nutzt dafür das Prinzip eines Zeitschlitzverfahrens, welches Sercos schon seit über 25 Jahren für die Echtzeitkommunikation verwendet. Da bei Ethernet TSN Echtzeitkommunikation und normale Ethernet-Kommunikation über einen einheitlichen Netzwerkstandard übertragen werden können, ist es erstmals in der Geschichte der industriellen Kommunikation möglich, Produktions- und IT-Netzwerke technologisch zusammenzuführen.

Die Basis von Ethernet TSN ist der Standard IEEE 802.1Q, welcher die Aufteilung physikalischer Netzwerke in mehrere logisch getrennte, priorisierte virtuelle Netze spezifiziert. Mit verschiedenen Sub-Standards werden darauf aufbauend ergänzende Features spezifiziert:

  • Zeitsynchronisation: Alle Netzwerkteilnehmer haben ein gemeinsames Verständnis der Zeit. Um eine einheitliche Zeitbasis im gesamten Netz zu schaffen, nutzt Ethernet TSN Mechanismen aus IEEE 802.1ASrev beziehungsweise IEEE 1588. Das darin beschriebene Protokoll zur Zeitsynchronisation definiert, wie räumlich verteilte Echtzeituhren untereinander synchronisiert werden.

  • Zeitschlitzverfahren: Synchrone Zeitschlitze erlauben die Übertragung verschiedener Traffic-Klassen und eine zeitgesteuerte Datenübertragung. Ethernet TSN nutzt dafür den IEEE-Substandard IEEE 802.1Qbv – Zeitmultiplexverfahren.

  • Scheduling und Traffic Shaping: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen nach den gleichen Regeln. Ethernet TSN nutzt dafür den IEEE-Substandard IEEE 802.1Qcc – Stream Reservation.

  • Frame Preemption: Telegramme können unterbrochen und später fortgesetzt werden. Ethernet nutzt dafür den IEEE-Substandard IEEE 802.1Qbu – Frame Preemption.

Sercos over TSN

Ein interessanter Ansatz ergibt sich aus der Überlegung, Sercos-III-Geräte in einer Ethernet-TSN-Netzwerkinfrastruktur gemeinsam mit anderen Ethernet-Teilnehmern zu betreiben. Dies war der Ausgangspunkt für einen Sercos-TSN-Demonstrator, der als „Proof of Concept“ auf der SPS IPC Drives 2016 Premiere feierte. Der Sercos-TSN-Demonstrator wurde vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart mit Unterstützung von mehreren Industriepartnern realisiert. Er zeigt die Möglichkeiten auf, eine echtzeit- und multiprotokollfähige Netzwerkinfrastruktur auf Basis von TSN für die Automatisierungstechnik und darüber hinaus bereitzustellen. Zum Einsatz kommt dabei ein Sercos III Soft-Master mit einer Soft-CNC der Industriellen Steuerungstechnik GmbH (ISG), der einen Intel i210 Netzwerk-Controller verwendet. In diesen Master wurde das Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588 integriert, sodass sämtliche Netzteilnehmer, die über TSN-Switche der Firma Hirschmann Automation & Control kommunizieren, eine einheitliche Zeitbasis verwenden.

Parallel zur Sercos-Echtzeitkommunikation über TSN werden Videostreams einer Webcam zu einem Remote-Display übertragen. Die Untersuchung des Echtzeitverhaltens zeigte, dass sich – trotz beziehungsweise wegen TSN – die Fehler in der Zeitsynchronisation auf einen zweistelligen Nanosekundenbereich beschränken. Somit werden weder Funktionalität noch Echtzeitcharakteristik von Sercos eingeschränkt. Sercos-III-Geräte können unverändert und auch gemeinsam mit anderen Ethernet-Geräten in ein TSN-Netzwerk integriert werden und über TSN miteinander kommunizieren. Auch können bestehende Tools, wie beispielsweise der Sercos Monitor als Diagnose- und Analysewerkzeug, weiterhin verwendet werden.

Einheitliche Infrastruktur

Die Sercos-Technologie profitiert von TSN gleich in mehrfacher Hinsicht: Zum einen können Standard-Ethernet-Komponenten mit integrierter Echtzeitfähigkeit eingesetzt und damit flexible Netzwerktopologien realisiert werden. Zum anderen stehen mit Ethernet TSN auch höhere Übertragungsbandbreiten zur Verfügung. Damit können Sercos-Geräte, die auf Fast Ethernet mit 100 Mbit/s Full-Duplex basieren, auch in einer 1 Gbit/s oder 10 Gbit/s basierenden Netzwerkinfrastruktur betrieben werden. Auch kann der Sercos Master räumlich abgesetzt von den Sercos Slaves betrieben werden, wodurch Edge-Controller-Konzepte mit einer zentralen Steuerung von dezentralen Peripheriegeräten realisiert werden können. Damit leistet Ethernet TSN einen entscheidenden Beitrag, um die Konvergenz von herkömmlichen Echtzeit-Ethernet-Lösungen zu einer einheitlichen, standardisierten und durchgängigen Netzwerkinfrastruktur herbeizuführen.

Bildergalerie

  • Echtzeit-Ethernet Schnittstellen im Vergleich

    Bild: Sercos

  • Ein Demonstrator für Sercos over TSN wurde schon auf der SPS IPC Drives 2016 gezeigt.

    Bild: Sercos

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