Erschienen am: 10.07.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 7 2017

Deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten

Sercos over TSN

Ethernet TSN soll erstmals in der über 40-jährigen Geschichte von Ethernet eine zeitgesteuerte und deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standardhardware erlauben. Damit würde das Anwendungsspektrum von Ethernet auf Echtzeitanwendungen, z.B. in Industrieanlagen, entscheidend erweitert. Dabei basiert Ethernet TSN auf einem Zeitschlitzverfahren, das Sercos schon seit über 25 Jahren für die Echtzeitkommunikation insbesondere im Maschinen- und Anlagenbau verwendet.


Der Sercos-TSN-Demonstrator feierte als Proof of Concept auf der SPS IPC Drives 2016 seine Premiere.
Bild: Sercos International e.V.

Heutige Echtzeit-Ethernet-Lösungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf Ethernet basieren. Allerdings benötigen sie zur korrekten Funktionsweise und zur Erreichung einer entsprechenden Übertragungs- und Echtzeitperformance eine spezielle Hardwareunterstützung. Damit sind die Systeme nicht konform zu den Standards IEEE802.1 und 802.3, wodurch sich die vertikale und horizontale Integration mit Ethernet nicht bestmöglich umsetzen lässt. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Echtzeit-Ethernet-Protokolle in einer gemeinsamen Netzwerkinfrastruktur nicht koexistieren können, ohne dass die Performance und Echtzeitcharakteristik beeinträchtigt wird. Verschiedene Echtzeit-Ethernet-Lösungen nutzen die Netzwerkinfrastruktur sogar exklusiv, sodass es erforderlich ist, andere Protokolle über das jeweils unterlagerte Echtzeitprotokoll zu tunneln. Allerdings setzt das ein laufendes bzw. funktionierendes Echtzeitprotokoll voraus, um mit den Geräten zu kommunizieren.

Koexistenz mit anderen Ethernet-Protokollen

Einen anderen Ansatz verfolgen Echtzeit-Ethernet-Lösungen, die eine Koexistenz mit anderen Ethernet-Protokollen unterstützen. Dabei lassen sich andere Protokolle sowohl mit als auch ohne das jeweilige Echtzeitprotokoll nutzen. Mit Ethernet TSN wird nun eine neue Feldbusgeneration eingeläutet, über die sich erstmals eine zeitgesteuerte und deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Ethernet-Hardware erreichen lässt. Ethernet TSN nutzt dafür das Prinzip eines Zeitschlitzverfahrens, das Sercos schon seit über 25 Jahren für die Echtzeitkommunikation verwendet. Da sich bei Ethernet TSN Echtzeitkommunikation und normale Ethernet-Kommunikation über einen einheitlichen Netzwerkstandard übertragen lassen, kann zum einen Standardhardware mit integrierter Echtzeitfähigkeit zum Einsatz kommen, was in niedrigen Hardwarekosten und einem breiten Hersteller- und Produktangebot resultiert. Darüber hinaus ermöglicht der TSN-Standard die Konvergenz von Produktions- und IT-Netzwerken, d.h. Echtzeitkommunikation und normale Ethernet-Kommunikation lassen sich über einen einheitlichen Netzwerkstandard übertragen. Das stellt eine geeignete Basis für die Umsetzung von Industrie 4.0 und IIoT-Konzepten dar.

Ethernet TSN

Das Übertragungsverfahren von Sercos basiert seit der Einführung der ersten Generation (Sercos I) im Jahre 1990 auf einem Zeitschlitzverfahren und einer zyklischen Kommunikation. Sercos III unterstützt nicht nur die Übertragung von Echtzeittelegrammen im sogenannten Echtzeitkanal, sondern erlaubt außerdem die Übertragung beliebiger anderer Ethernet-Protokolle im sogenannten UC-Kanal. Ethernet TSN besitzt alle Eigenschaften und Mechanismen, um das Übertragungsverfahren mit Standard-Ethernet-Hardware umzusetzen bzw. nachzubilden. Die Basis von Ethernet TSN ist der Standard IEEE802.1Q, der die Aufteilung physikalischer Netze in mehrere logisch getrennte, priorisierte virtuelle Netze spezifiziert. Mit verschiedenen Sub-Standards werden darauf aufbauend ergänzende Features spezifiziert. Das sind:

  • • Zeitsynchronisation: Alle Netzwerkteilnehmer haben ein gemeinsames Verständnis der Zeit. Dazu greift Ethernet TSN auf Mechanismen aus IEEE802.1ASrev bzw. IEEE1588 zurück. 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 Substandard IEEE802.1Qbv.
  • • Scheduling und Traffic Shaping: Alle teilnehmenden Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen nach den gleichen Regeln. Ethernet TSN nutzt dafür den Substandard IEEE802.1Qcc.
  • • Frame Preemption: Telegramme lassen sich unterbrechen und später fortsetzen. Ethernet nutzt dafür den Substandard IEEE802.1Qbu.

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. Das war der Ausgangspunkt für den Sercos-TSN-Demonstrator, der als Proof of Concept auf der SPS IPC Drives 2016 Premiere feierte. Der Demonstrator wurde vom ISW 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 TSN-basierter Sercos III SoftMaster mit einer Soft-CNC von ISG. In diesen Master wurde das Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE1588 integriert, sodass sämtliche Netzteilnehmer, die über TSN-Switche von Hirschmann kommunizieren, eine einheitliche Zeitbasis verwenden. Parallel zur Sercos-Echtzeitkommunikation über TSN werden Videostreams einer Webcam zu einem Remote Display übertragen, ohne jedoch die Charakteristik und Funktionen der Echtzeitübertragung zu beeinträchtigen. Die Untersuchung des Echtzeitverhaltens zeigte, dass sich die Fehler in der Zeitsynchronisation auf einen zweistelligen Nanosekundenbereich beschränken. Somit werden weder Funktionalität noch Echtzeitcharakteristik von Sercos eingeschränkt. Sercos-III-Geräte lassen sich unverändert und auch gemeinsam mit anderen Ethernet-Geräten in ein TSN-Netzwerk integrieren und sind in der Lage, über TSN miteinander zu kommunizieren. Bestehende Tools, wie der Sercos-Monitor als Diagnose- und Analysewerkzeug, lassen sich ebenfalls weiterhin vollumfänglich verwenden. Auf diese Weise lassen sich zum einen Standard-Ethernet-Komponenten mit integrierter Echtzeitfähigkeit einsetzen und damit flexible Netzwerktopologien realisieren. Zum anderen stehen mit Ethernet TSN auch höhere Übertragungsbandbreiten zur Verfügung. Damit können Sercos-Geräte, die auf Fast Ethernet mit 100Mbit/s Full-Duplex basieren, auch in einer auf 1 oder 10Gb/s basierenden Netzwerkinfrastruktur betrieben werden. Darüber hinaus lässt sich der Sercos-Master räumlich abgesetzt von den Slaves betreiben, wodurch Edge-Controller-Konzepte mit einer zentralen Steuerung von dezentralen Peripheriegeräten möglich werden. Damit leistet Ethernet TSN einen entscheidenden Beitrag, um die Konvergenz von herkömmlichen Echtzeit-Ethernet-Lösungen zu einer einheitlichen, standardisierten und durchgängigen Netzwerkinfrastruktur herbeizuführen.

Zusammenfassung

Ethernet TSN hat das Potential, die bisher strikte Trennung von IT- und Automatisierungsnetzwerken aufzuheben und damit eine Konvergenz der Technologien herbeizuführen. Bisherige Echtzeit-Ethernet-Lösungen, die für die korrekte Funktionsweise und ausreichende Echtzeit- und Übertragungsperformance eine spezifische Hardware erforderlich machten, profitieren von Ethernet TSN in vielfacher Hinsicht. Mit dem Sercos-over-TSN-Demonstrator ließ sich zudem der Nachweis erbringen, dass sich Sercos-III-Geräte unverändert in einem Ethernet-TSN-Netz gemeinsam mit anderen Ethernet-Teilnehmern betreiben lassen.