... rechts der reale Aufbau des Demonstrators.

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Die von einer PC-basierten numerischen Steuerung erzeugten Antriebssollwerte werden hierbei anstatt über einen Feldbus-Stack mittels nativem Ethernet samt TSN-Mechanismen gesendet. Über zwei industrielle Switche (Hirschmann RSP35 mit TSN-Firmware) hinweg werden diese in eigenen Zeitslots priorisiert (mittels IEEE 802.1Qbv) und an zwei FPGA-basierte Antriebsumrichter übertragen. Beide Antriebe erreichen dabei eine Synchronität unterhalb von 100 ns. Parallel dazu auftretender TCP/IP-Traffic von einer Webcam beeinträchtigt das Echtzeit-Verhalten in keiner Weise.

Bild 2 zeigt den Aufbau mit den beiden Datenströmen, einmal die Übertragung der Soll-/Istwerte zu und von den Antrieben unter Echtzeit-Anforderungen (RT), daneben mit hoher Bandbreite (NRT) die Übertragung des Webcam-Streams. Eine möglichst gute zeitliche Synchronisation der Teilnehmer ist einerseits wesentliche Voraussetzung für eine latenzarme Übertragung über mehrere Netzwerk-Komponenten (jede Verkehrsklasse wird zum richtigen Zeitpunkt bearbeitet), aber auch für die jeweilige Anwendung unabdingbar – in diesem Fall die exakte Synchronität der beiden Antriebe wie es für Motion-Anwendungen gefordert ist. Hierzu wurde auf den Standard IEEE 1588 gesetzt, welcher leicht modifiziert als IEEE 802.1AS-rev in TSN eingehen wird. Entsprechende Funktionen sind in den Switches bereits integriert.

Bild 3: Aufbau des NC-Masters beim TSN-Demonstrator des ISW.

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Zum näheren Verständnis der Implementierung zeigt Bild 3 den schematischen Aufbau des NC-Masters. Hierbei wurde auf Standard-PC-Hardware mit einem Windows-Betriebssystem gesetzt. Zur deterministischen Ausführung der echtzeitkritischen Tasks sind diese unter der Echtzeit-Erweiterung ‚Intime‘ von Tenasys implementiert. Einen echtzeitfähigen Buszugriff sichert der Netzwerk-Adapter ‚Intel i210‘, welcher auch über entsprechende Hardware-Funktionen zur Zeitsynchronisation verfügt und über das High-Performance-Ethernet-Interface zugänglich ist. Neben der Erzeugung der Antriebssollwerte innerhalb der NC unter Verwendung von ‚ISG.kernel‘ ist noch eine wesentliche Aufgabe in der Software die Zeitsynchronisation mit den weiteren Netzwerk-Teilnehmern, wozu ein PTP-Stack der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) zum Einsatz kommt. Nicht-echtzeitkritischer Traffic, beispielsweise zur Konfiguration der Antriebe, wird außerhalb des reservierten Zeitslots übertragen.

Bild 4: Aufbau der TSN-fähigen Antriebsregler.

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Charakteristisch für ein TSN-fähiges Endgerät ist die in Bild 4 dargestellte beziehungsweise im Rahmen der ISW-Demo eingesetzte Antriebsplattform: Die Implementierung basiert auf einer FPGA-Plattform, um maximale Flexibilität in Software wie Hardware nutzen zu können. Funktionen sind jeweils auf adäquater Ebene implementiert. Beispielsweise läuft der auch hier genutzte PTP-Stack oder Management-Tasks innerhalb einer eingebetteten CPU – entsprechend zeitkritische Funktionen wie das notwendige Time-Stamping der Ethernet-Pakete oder die Regelkreise der Antriebe sind direkt in Hardware umgesetzt.

Auch hier bleibt noch Raum für weitere Verbesserungen. Beispielhaft genannt werden kann der Umstieg auf Cut-Through-Switching, wodurch sich selbst bei komplexeren Netzwerken die End-to-End-Latenz minimieren lässt. Im Rahmen der vorgestellten Demonstration wurde eine Zykluszeit für die Übertragung von Soll-/Istwerten von 1 ms umgesetzt, die Antriebsdaten werden dabei in exemplarische, an CANopen angelehnte Telegramme verpackt. Von der verfügbaren Bandbreite der 100-MBit-Verbindung wurden dabei beispielsweise jeweils 25 % für Echtzeit-Daten sowie für die verlässliche Übertragung von Service-Daten reserviert. Entsprechend ließe sich die Zahl der Antriebe – angeordnet in beliebiger Topologie – noch deutlich steigern, die einzelnen Telegramme weisen lediglich die Minimallänge von 72 Byte auf. Da die Synchronisation der Antriebe über den Mechanismus von IEEE 1588 erfolgt, ist der exakte Übertragungszeitpunkt beziehungsweise die Latenz der Sollwerte zudem nicht mehr entscheidend. Anhand synchron zum Reglertakt ausgegebener Pulse zeigt sich per Messung, dass  der zeitliche Fehler zwischen den beiden Antriebsreglern weniger als 50 ns beträgt.

Die erreichbare Performance bei der Nutzung von TSN-Ethernet ist für typische industrielle Anwendungen grundsätzlich vergleichbar zu etablierten Ethernet-basierten Feldbussen und wird sich mit wachsenden Übertragungsraten weiter steigern. Bei komplexen Netzstrukturen sind jedoch entsprechende Latenzen durch das Switching zu berücksichtigen, welche die minimale Reaktionszeit begrenzen. Da jedoch die Synchronisation der Teilnehmer entkoppelt von den Prozessdaten ablaufen kann, stellt dies keine kritische Einschränkung dar. Weitere Herausforderungen ergeben sich bei einer großen Zahl von Teilnehmern aus dem Overhead, welcher dadurch bedingt ist, dass auch ein einfacher Boolescher Messwert stets einen kompletten Ethernet-Frame belegt. Für spezielle Anwendungsfälle, wie beispielsweise eine sehr große Anzahl verteilter I/O-Komponenten mit geringen Datenmengen, besteht jedoch noch Forschungsbedarf hin­sichtlich einer optimalen Bandbreitennutzung.

Eine weitere TSN-Demo, an der das ISW ebenfalls mitgewirkt hat, war auf der SPS IPC Drives am Stand von Sercos International zu finden: Hier wurde die Ansteuerung von Sercos-Antrieben über eine vergleichbare Netzstruktur vorgestellt. Die notwendigen Modifikationen beschränken hier auf den NC-Master und lassen die verwendeten Bosch-Rexroth-Antriebe unangetastet. Es kommt ebenfalls ‚ISG.kernel‘ zur Sollwert-Erzeugung zum Einsatz, die Rolle des Sercos-Masters übernimmt der als Open Source verfügbare ‚Sercos III SoftMaster‘. Und auch hier gewährleistet IEEE 1588 eine einheitliche Zeitbasis von Netzwerk-Komponenten und Master, so dass die Sollwert-Telegramme zu exakt definierten Zeitpunkten an die Antriebe weitergeleitet werden.

An diesem Szenario lässt sich eine mögliche Migrationsstrategie zur Einbindung von bestehenden Anlagen und Komponenten in TSN-Netzwerke darstellen. Durch eine geeignete Konfiguration des Netzes werden die Sercos-Telegramme transparent und deterministisch übertragen und vor weiterem Traffic geschützt.

Was bleibt vom Feldbus?

Nach heutigem Stand ist zu erwarten, dass sich die Fokussierung auf Ethernet-basierte Bussysteme in der Automatisierungstechnik wie in weiteren Branchen – zum Beispiel Automotive – fortsetzt. Im Rahmen der bevorstehenden Veröffentlichung des Pub/Sub-Modells von OPC UA verspricht die Kombination mit TSN die bisher mangelnde Eignung für Echtzeit-Daten aufzuheben. Es bleibt damit jedoch die Aufgabe, bestehende Geräteprofile auf diese neue Kommunikationsinfrastruktur zu portieren – möglichst unter Berücksichtigung der Kompatibilität zu Altgeräten und -Anlagen.

Viele der heute verbreiteten Feldbusse bringen Vorgaben zur Netztopologie mit und schränken damit die Anordnung und Verdrahtung der Teilnehmer ein. Weiter sind gegebenenfalls geforderte redundante Verbindungen nicht wahlfrei möglich, sondern auf solche Topologien beschränkt, die der Feldbus vorsieht – zum Beispiel Ringe. Mit der Nutzung von TSN-Ethernet als Transportschicht fallen derartige Einschränkungen weg. Insgesamt ist aufgrund der herstellerunabhängigen Standardisierung und der branchenübergreifenden Bedeutung mit einem raschen Zuwachs kompatibler Chipsätze und Protokolle zu rechnen.

Vor diesem Hintergrund ist zwar nicht davon auszugehen, dass der klassische Feldbus schon morgen aus der Fabrikhalle verschwunden sein wird. Allerdings ist jetzt der richtige Zeitpunkt, darüber nachzudenken, was TSN für die unterschiedlichen Akteure bedeuten wird und entsprechende Strategien vorzubereiten. Relevante Aspekte sind:

• Konvergente Netzwerke mit gleichzeitig hoher Bandbreite und Echtzeitgarantie
• Natives Ethernet statt proprietärer Kommunikationsprotokolle
• Herstellerunabhängig, zukunftssicher und kostengünstig
• Flexible Netztopologien und Redundanz

Gleichzeitig bietet die industrielle Kommunikation noch eine Vielzahl bisher ungelöster Herausforderungen: Von standardisierter Datenbeschreibung über Engineering und Monitoring bis hin zu Safety und Security sind noch etliche Fragen offen. Um derartige Fragen unter praxisnahen Gesichtspunkten zu klären, auszuprobieren und Musterlösungen zu schaffen, plant das ISW die Gründung einer entsprechenden Interessengemeinschaft ‚TSN for Automation‘ für die praktische Anwendung von Echtzeit-Ethernet (http://www.tsn4automation.com). Vorgesehen sind unter anderem unterschiedliche Veranstaltungen zum Expertenaustausch beziehungsweise zur Anwenderschulung, die Bereitstellung von Best Practices und Referenzimplementierungen sowie die gemeinsame Nutzung eines TSN-Labs.

Autoren:
Florian Frick befasst sich am ISW mit innovativen Plattformen für die Automatisierungstechnik;
Peter Zahn ist am ISW als Gruppen­leiter für die den Bereich Antriebs-, Regelungs- und Maschinentechnik zuständig.
Armin Lechler ist stellvertretender Institutsleiter am ISW tätig.