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Acontis Technologies: Ein TSN-Stack für Embedded Devices

Die bei den meisten Realtime-Betriebssystemen mitgelieferten Treiber sind nicht echtzeitfähig – ein K.-o.-Kriterium für Automatisierungsgeräte, die an ein TSN-Netzwerk angebunden werden sollen.

Spezieller Mechanismus in den Ethernet-Treibern von Acontis Bildquelle: © Acontis Technologies

Acontis zeigt, wie sich Ethercat, OPC UA sowie normaler IP-Traffic mit dem TSN Stack und den darin enthaltenen Ethernet-Treibern übertragen lassen.

Sollen Automatisierungsgeräte an ein TSN-Netzwerk angebunden werden, muss die gesamte Echtzeitkette von der Applikation auf dem Echtzeit-Betriebssystem des Gerätes (RTOS), über den TSN Stack, den Ethernet Controller-Treiber bis zur Ethernet-Hardware komplett deterministisch gehalten sein – und zwar sowohl beim Senden, als auch beim Empfangen. Zusätzlich muss die normale, nicht echtzeitfähige TCP/IP/Ethernet-Kommunikation über den TCP/IP-Stack des RTOS parallel über denselben Ethernet-Controller möglich sein, ohne den Echtzeitverkehr zu stören.

„Wir haben uns frühzeitig auf den Trend hin zu TSN eingestellt und können heute neben den Standard-TSN-Mechanismen im TSN-Stack, auch schon die dafür notwendigen echtzeitfähigen Ethernet-Treiber anbieten“, sagt Geschäftsführer Stefan Zintgraf und ergänzt: „Die bei den herkömmlichen Realtime-Betriebssystemen mitgelieferten Treiber sind meist nicht echtzeittauglich und nicht dafür vorgesehen, hochpriore Time-Scheduled-Nachrichten zusammen mit Best-Effort-Telegrammen entsprechend zu bearbeiten.“

Ein spezieller Mechanismus in den Ethernet-Treibern von Acontis Technologies sorgt für die jeweilig notwendige Behandlung von hochprioren Time-Scheduled- und niederprioren Best-Effort-Telegrammen, wie etwa herkömmliche TCP/IP-Telegramme. Acontis konnte auf diesem Gebiet durch die jahrelange Marktführerschaft für ihren Embedded-Ethercat-Master-Stack entsprechend große Erfahrung bei einer Vielzahl von Permutationen aus RTOS, Prozessor und Ethernet-Controllern sammeln.

Die bereits getesteten und verfügbaren Protokolle oberhalb des TSN-Stack sind Ethercat und OPC UA Pub/Sub. Das herkömmliche OPC UA Client/Server wird wie bisher über den TCP/IP-Stack des RTOS abgewickelt und in den Acontis-Treibern der niederprioren Best Effort Bearbeitungsqueue zugeführt. Bei der Verwendung von Ethercat werden die entsprechenden Ethercat-Telegramme vom Acontis-Ethercat-Master-Stack generiert und über den TSN-Stack inklusive der echtzeitfähigen Ethernet-Treiber und dem Ethernet-Controller im TSN-Scheduled-Traffic-Verfahren versendet. Das Besondere dabei ist, dass herkömmliche unmodifizierte Ethercat-Slaves beliebig im TSN-Netzwerk direkt an einen Port eines TSN-tauglichen Switches angeschlossen werden können. Spezielle Umsetzungs-Hardware oder eine Veränderung bestehender Ethercat-Slave-Geräte ist nicht erforderlich. Dies eröffnet einen idealen Migrationspfad, um die Vielzahl bestehender Ethercat-Slave-Geräte auch in TSN-Netzwerken direkt und an beliebiger Stelle weiter verwenden zu können.

Bei der Verwendung von OPC UA oberhalb des TSN-Stack generiert der OPC-UA-Publisher die entsprechenden UDP/IP-Telegramme, welche vom TSN-Stack, Treiber und Hardware entsprechend in das TSN-Netzwerk ­gesendet werden. Umgekehrt ­bekommt der Subscriber entsprechende empfangene Telegramme deterministisch echtzeitfähig über das API des TSN-Stack zugestellt.