Erschienen am: 28.03.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 4 2018

TSN-Controller verbindet Steuerungs- mit Messtechnikwelt

Entscheidungen an der Edge

Je komplexer Systeme werden, desto mehr Entscheidungen müssen in Echtzeit getroffen werden. Daher ist es nicht verwunderlich, dass laut Expertenschätzung zukünftig mindestens 40% aller IoT-generierten Daten am Netzwerk-Edge gespeichert, verarbeitet, analysiert und verwertet werden. Um eine maximale Systemleistung zu erzielen und unnötige Datenübertragungen zu vermeiden, muss die Entscheidungsfindung daher direkt bzw. so nah wie möglich am jeweiligen Datenerfassungspunkt stattfinden, wofür intelligente Edge-Nodes erforderlich sind.


Bild: National Instruments Germany GmbH

Die zwei Plattformen für den Mess-, Steuer- und Regelbereich CompactRIO und CompactDAQ bieten mit modularer Hardware und softwaredefinierter Funktionalität ein hohes Maß an Flexibilität. Über die integrierten I/O-Schnittstellen und I/O-Module der C-Serie lassen sich hochgenaue I/O mit messspezifischer Signalkonditionierung erstellen, sodass eine Anbindung an jeden Sensor und jedes Gerät über ein beliebiges Bussystem möglich ist. CompactRIO beherbergt einen Echtzeitprozessor und anwenderprogrammierbaren FPGA für die Hochgeschwindigkeitssteuerung und -regelung, während sich CompactDAQ mit seiner Software-API NI-DAQmx ideal für die Datenerfassung eignet. Die Implementierung solcher Systeme birgt aber weitere Herausforderungen, insbesondere je umfangreicher Systeme werden und je mehr Sensoren angebunden sind. Für größere Anwendungen müssen dabei unter Umständen sogar tausende Sensoren über das komplette System verteilt werden. Zudem ist es erforderlich, die erfassten Daten in Echtzeit zu verarbeiten, damit die Sollwerte direkt an die das System steuernden Aktoren weitergegeben werden können. Ebenfalls gilt es, die Messsysteme bzw. Steuersysteme untereinander zu synchronisieren. Realisiert wird dies in der Regel mit signalbasierten Methoden, bei denen eine gemeinsame Zeitbasis per Kabel an die verteilten Knoten übertragen wird. Allerdings stößt diese Methode an Grenzen bezüglich Entfernung, Skalierbarkeit und Rauschanfälligkeit. Alternativlösung ist ein Protokoll, das auf einem gängigen Standard wie Ethernet aufsetzt. Ethernet wiederum ermöglicht zwar ein hohes Maß an Offenheit und Interoperabilität, bietet aber keine Latenzgrenzen oder Bandbreitengarantien. Daher kommen hier spezielle Varianten von Ethernet wie Ethercat, Profinet oder EtherNet/IP zum Einsatz, die häufig als hartes Echtzeit-Ethernet bezeichnet werden. Für jede Ethernetvariante sind jedoch sowohl hard- als auch softwareseitige Änderungen an der Netzwerkinfrastruktur nötig, was mit höheren Kosten verbunden ist und zu Kompatibilitätsproblemen zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller führen kann.

Time-Sensitive Networking (TSN)

Mittlerweile hält eine neue Technologie Einzug, mit der sich die Synchronisierungshürden überwinden lassen: Time-Sensitive Networking (TSN). Bei TSN handelt es sich um die Weiterentwicklung des Ethernetstandards, welche die gewohnte Offenheit und Interoperabilität von Ethernet mit den Latenzgrenzen und Bandbreitengarantien von hartem Echtzeit-Ethernet verbindet. TSN bietet dabei drei Schlüsselfunktionen: zeitbasierte Synchronisierung, Traffic Scheduling und Systemkonfiguration. Einer der Hauptvorteile von TSN liegt in der Zusammenführung zeitkritischer Daten mit allgemeinen Netzwerkdaten. Da TSN ein Teil des Ethernetstandards ist, können präzise Zeitsynchronisierungen und deterministische Datenübertragungen über dasselbe Ethernetnetzwerk realisiert werden, über das auch jeglicher andere Netzwerkverkehr läuft. TSN ist ein bedeutender Fortschritt für zahlreiche Industrieanwendungen, insbesondere im Bereich der Prozess- und Maschinensteuerung, die eine geringe Übertragungslatenz und minimalen Jitter erfordern, um Regelungsanforderungen zu erfüllen. Da die neuen Controller der CompactRIO-Plattform TSN-fähig sind, lassen sie sich einfach in ein TSN-Netzwerk integrieren und unterstützen Datensynchronisierungen und deterministische Kommunikation, sodass sie sich ideal als Edge-Node für das IIoT eignen. Sie bieten nicht nur einen Echtzeitprozessor und FPGA für deterministische Steueranwendungen, sondern können mit dem NI-DAQmx-Treiber auch für Messaufgaben programmiert werden. NI-DAQmx ist dabei kein gewöhnlicher Hardwaretreiber, sondern sorgt mit seinen integrierten Konfigurations- und Fehlerbehebungswerkzeugen, Konfigurationsprogrammen und einer leistungsstarken API für mehr Produktivität und Leistung. Mit der API lassen sich außerdem benutzerdefinierte Skalierungen erstellen, leistungsstarke Timing- und Synchronisierungsfunktionen nutzen sowie einzelne Tasks steuern und überwachen. Dank dieser Funktionszusammenführung ist es möglich, mit ein und derselben Hardware und einer einzigen Softwarewerkzeugkette eingehende Daten direkt am Netzwerk-Edge zu erfassen, zu verarbeiten, zu protokollieren und damit letztendlich die Systemkosten und -komplexität zu reduzieren.

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