TSN-Serie Teil 15

Verteilte Echtzeit-Applikationen auf TSN-Basis

17. Februar 2022, 8:28 Uhr | Stefan Oechsle

Time-Sensitive Networking (TSN) ist eine der Schlüsseltechnologien für zukünftige verteilte Echtzeit-Anwendungen. Neben der eigentlichen TSN-basierten Kommunikation muss für eine erfolgreiche Umsetzung das Ökosystem und dessen Komponenten betrachtet werden.

Bei den als TSN bekannten Erweiterungen der Ethernet-Standards handelt es sich um Kommunikationstechnik auf den unteren Schichten des OSI-Modells. Das branchenübergreifende Interesse an der Technologie sowie den damit verbundenen technologischen Visionen hat seinen Ursprung jedoch in den durch TSN befähigten verteilten (Echtzeit-) Applikationen. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass sie auf mehrere lokale Applikationen auf physikalisch getrennten Geräten verteilt sind und durch ein echtzeitfähiges Netzwerk verbunden sind. Im industriellen Umfeld sind dies typischerweise Steuerungs- oder Überwachungsaufgaben, im Automotive-Bereich beispielsweise die Fahrzeugsteuerung oder das Infotainment. Potenziell können sich mehrere unabhängige Applikationen eine Infrastruktur – sowohl Netzwerk als auch Endpunkte – teilen.

Anwendungsfall aus der Industrie

Wie sieht ein praxisnahes Anwendungsszenario einer verteilten Echtzeit-Applikation in einem TSN-basierten Ökosystems aus, das TSN und weitere aktuelle Technologien wie die Virtualisierung mittels Container nutzt?

Angenommen werden drei Montagestationen, welche jeweils über einen zwei-Achs-Manipulator verfügen und mittels SPS-Steuerungen angesteuert werden. Anders als heute üblich sollen die SPS-Steuerungen nicht als einzelne Geräte, sondern als virtuelle Steuerungen (vPLC) auf einer Edge-Plattform realisiert sein. Als Plattform kommt dabei ein Linux-PC mit Real-Time Patch (Preempt-RT) zum Einsatz. Die einzelnen Antriebsregler sind als Embedded Devices ausgeführt. Zwischen den vPLCs und den Embedded Devices werden dabei echtzeitkritische Soll- und Istwerte im 1-ms-Takt ausgetauscht. Zusätzlich dazu können im Netzwerk weitere Daten sporadisch transportiert werden, wie Parameter oder Zustandsdaten für die Verwendung in einem Monitoring-system der Produktion.

Auf den oberen Protokollschichten kommt OPC UA PubSub für die Echtzeitdaten sowie Client Server für sonstige Daten zum Einsatz. Potenziell könnten hierfür zukünftig Ergebnisse der FLC Initiative zum Tragen kommen.

Zum Transport der verschiedenen Daten im selben Netzwerk dient TSN, wobei die Echtzeit durch die Nutzung eines zeitbasierten Schedules mit Streams und Datenklassen erreicht wird. Hierfür wird unter anderem 802.1Qbv genutzt. In dem hier exemplarisch beschriebenen Fall besteht dieser Schedule aus insgesamt drei Klassen: Eine für den isochronen Austausch der Soll- und Istwerte (ISO), eine für den priorisierten Transport von Parametern (PRIO) und eine weitere Klasse für das Senden von Monitoring Daten nach dem Best-Effort-Prinzip (BE).

Die Applikation soll von einem Engineering-Tool konfiguriert, deployed, verwaltet und überwacht werden. Eine zentrale Aufgabe dabei ist die Konfiguration der TSN-basierten Kommunikation, welche durch die CUC (Central User Configuration) realisiert wird. Diese hat die Aufgabe, die vom Anwender festgelegten Kommunikationsverbindungen an das zentrale Netzwerkmanagement weiterzuleiten und anschließend die sich ergebenden Konfigurationen an die Endgeräte – in diesem Fall die vPLCs und Embedded Devices – zu übergeben. Die Kommunikation zwischen den Endgeräten und der CUC ist applikationsspezifisch, weshalb im gegebenen Fall hierfür ebenfalls eine Lösung auf Basis von OPC UA zum Zuge kommt.

Das Netzwerk als solches wird mittels des zentralen Konfi-gurationsansatzes von TSN gemanagt, wofür ein zentrales Netzwerkmanagement – Central Network Controller (CNC) – zur Konfiguration der Infrastrukturkomponenten (zum Beispiel Switche) genutzt wird.