Echtzeit Ethernet/TSN
Sercos via TSN
Ethernet TSN erlaubt eine deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Hardware. Wie können Sercos und Ethernet TSN kombiniert werden, um Echtzeit- und normale Ethernet-Kommunikation über einen einheitlichen Netzwerk-Standard zu übertragen?
Heutige Echtzeit-Ethernet-Systeme basieren zwar allesamt auf Ethernet, benötigen zur korrekten Funktionsweise und zum Erreichen einer entsprechenden Übertragungs- und Echtzeit-Performance allerdings eine spezielle Hardware-Unterstützung. Damit sind diese Systeme nicht konform zu den Standards IEEE 802.1 und 802.3, wodurch sich die vertikale und horizontale Integration mit Ethernet nicht optimal umsetzen lässt.
Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Echtzeit-Ethernet-Protokolle in einer gemeinsamen Netzwerk-Infrastruktur nicht koexistieren können, ohne dass die Performance und Echtzeit-Charakteristik beeinträchtigt wird. Verschiedene Echtzeit-Ethernet-Lösungen nutzen die Netzwerk-Infrastruktur sogar exklusiv, so dass andere Protokolle über das jeweils unterlagerte Echtzeit-Protokoll getunnelt werden müssen (Bild 1a). Allerdings setzt dies ein laufendes beziehungsweise funktionierendes Echtzeit-Protokoll voraus, um mit den Geräten überhaupt kommunizieren zu können.
Einen anderen Ansatz verfolgen Echtzeit-Ethernet-Lösungen, die eine Koexistenz mit anderen Ethernet-Protokollen explizit unterstützen und somit multiprotokollfähig sind. Dabei können andere Protokolle sowohl mit als auch ohne das jeweilige Echtzeit-Protokoll genutzt werden (Bild 1b). Vertreter dieser Echtzeit-Ethernet-Lösungen sind etwa Sercos III und Profinet IRT.
Ethernet TSN – Ein IEEE-Standard
Mit Ethernet TSN wird nun eine neue Generation der industriellen Kommunikation eingeläutet: Erstmals in der über 40-jährigen Geschichte von Ethernet ist damit eine zeitgesteuerte und deterministische Übertragung von echtzeitkritischen Nachrichten über Standard-Ethernet-Hardware möglich (Bild 1c). Ethernet TSN nutzt dafür das Prinzip eines Zeitschlitzverfahrens, welches Sercos schon seit über 25 Jahren für die Echtzeit-Kommunikation verwendet. Da bei Ethernet TSN Echtzeit-Kommunikation und normale Ethernet-Kommunikation über einen einheitlichen Netzwerk-Standard übertragen werden können, ergeben sich zahlreiche Vorteile:
Zum einen kann Standard-Hardware mit integrierter Echtzeit-Fähigkeit eingesetzt werden, was in niedrigen Hardware-Kosten und einem breiten Hersteller- und Produktangebot resultiert. Darüber hinaus ermöglicht der TSN-Standard die Konvergenz von Produktions- und IT-Netzwerken: Echtzeit- und normale Ethernet-Kommunikation lassen sich per einheitlichem Netzwerk-Standard übertragen. – Eine ideale Basis für die Umsetzung von Industrie 4.0 und IIoT-Konzepten, da somit eine durchgängige Kommunikation – vertikal wie auch horizontal – realisierbar ist.
Die Basis von Ethernet TSN ist der Standard IEEE 802.1Q, welcher die Aufteilung physikalischer Netzwerke in mehrere logisch getrennte, priorisierte virtuelle Netze spezifiziert. Mit verschiedenen Sub-Standards werden darauf aufbauend ergänzende Features spezifiziert:
■ Zeitsynchronisation: Alle Netzwerk-Teilnehmer haben ein gemeinsames Verständnis der Zeit. Hierfür nutzt Ethernet TSN Mechanismen aus IEEE 802.1ASrev beziehungsweise IEEE 1588. 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 IEEE-Substandard IEEE 802.1Qbv (Zeitmultiplexverfahren).
■ Scheduling und Traffic Shaping: Alle Geräte arbeiten bei der Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerk-Paketen nach den gleichen Regeln. Ethernet TSN nutzt dafür den IEEE-Substandard IEEE 802.1Qcc (Stream Reservation).
■ Frame Preemption: Telegramme können unterbrochen und später fortgesetzt werden. Ethernet nutzt dafür den IEEE-Substandard IEEE 802.1Qbu (Frame Preemption).
Sercos over TSN ‚Proof of Concept‘
Wie aber können bestehende Echtzeit-Ethernet-Lösungen zu Ethernet TSN migrieren? Inwiefern lassen sich herkömmliche Echtzeit-Ethernet-Geräte gemeinsam mit anderen Ethernet-Teilnehmern in einer Ethernet-TSN-Netzwerk-Infrastruktur betreiben? Diese Fragestellungen waren Ausgangspunkt für einen Sercos-TSN-Demonstrator, der als ‚Proof of Concept‘ auf der SPS IPC Drives 2016 Premiere hatte.
Den Sercos-TSN-Demonstrator realisierte – mit Unterstützung mehrerer Industriepartner – das ISW der Universität Stuttgart. Er zeigt die Möglichkeiten auf, eine echtzeit- und multiprotokollfähige Netzwerk-Infrastruktur auf Basis von TSN für die Automatisierungstechnik und darüber hinaus bereitzustellen (Bild 3).
Bild 4. Sercos SoftMaster mit Ethernet-TSN-Anschaltung und PTP-Unterstützung nach IEEE1588.
© Sercos InternationalZum Einsatz kommt ein TSN-basierter Sercos-III-SoftMaster mit einer Soft-CNC der Industriellen Steuerungstechnik GmbH (ISG). In diesen Master wurde das Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588 integriert, so dass sämtliche Netzteilnehmer, die über TSN-Switche der Firma Hirschmann Automation & Control kommunizieren, eine einheitliche Zeitbasis verwenden (Bild 4).
Parallel zur Sercos-Echtzeit-Kommunikation über TSN werden Videostreams einer Webcam zu einem Remote-Display übertragen, ohne die Charakteristik und Funktionalität der Echtzeit-Übertragung zu beeinträchtigen. Die Untersuchung des Echtzeit-Verhaltens zeigte, dass sich die Fehler in der Zeitsynchronisation auf einen zweistelligen Nanosekundenbereich beschränken. Somit werden weder Funktionalität noch Echtzeit-Charakteristik von Sercos eingeschränkt. Sercos-III-Geräte können unverändert und auch gemeinsam mit anderen Ethernet-Geräten in ein TSN-Netzwerk integriert werden und über TSN miteinander kommunizieren. Auch lassen sich bestehende Tools, wie der Sercos-Monitor als Diagnose- und Analysewerkzeug, weiterhin vollumfänglich verwenden.
Die Sercos-Technologie profitiert von TSN in mehrfacher Hinsicht: Zum einen können Standard-Ethernet-Komponenten mit integrierter Echtzeit-Fähigkeit eingesetzt und damit flexible Netzwerk-Topologien realisiert werden. Zum anderen stehen mit Ethernet TSN höhere Übertragungsbandbreiten zur Verfügung. Damit lassen sich Sercos-Geräte, die auf Fast Ethernet mit 100 Mbit/s Full-Duplex basieren, auch in einer 1-Gb/s- oder 10-Gb/s-basierenden Netzwerk-Infrastruktur betreiben. Außerdem kann der Sercos-Master räumlich abgesetzt von den Sercos-Slaves betrieben werden, wodurch Edge-Controller-Konzepte mit einer zentralen Steuerung von dezentralen Peripheriegeräten realisiert werden können. Damit leistet Ethernet TSN einen entscheidenden Beitrag, um die Konvergenz von herkömmlichen Echtzeit-Ethernet-Lösungen zu einer einheitlichen, standardisierten und durchgängigen Netzwerk-Infrastruktur herbeizuführen.
Autor: Peter Lutz ist Geschäftsführer Sercos International
Der Sercos SoftMaster
Bei einem Sercos SoftMaster wird anstelle einer spezifischen Sercos-III-Hardware ein Standard-Ethernet-Controller verwendet. Beim Sercos SoftMaster werden die für die korrekte Funktionsweise von Sercos erforderlichen Hardware-Funktionen in die Software verlagert und die in Software emulierten Sercos-Funktionen auf der Host-CPU gerechnet. Durch den Verzicht auf proprietäre Hardware-Controller lassen sich die Hardware-Kosten, aber auch die Anschaffungs- und Laufzeitkosten der Industrie-PCs deutlich senken.
Zu berücksichtigen ist dabei, dass beim Einsatz konventioneller Ethernet-Controller abhängig von der vorhandenen CPU-Performance und der Echtzeit-Charakteristik des Betriebssystems ein Telegramm-Jitter von ~20…60 μs entsteht, was in einer Geräte-Synchronisation von ~1 μs resultiert.
Mit Ethernet-Controllern der neuen Generation (zum Beispiel Intel I210), die bereits verschiedene TSN-Features wie Queues und Telegramm Scheduling unterstützen, können sogar Synchronitäten und höchste Verfügbarkeiten im Bereich eines Hardware-basierten Masters erzielt werden. Gleichzeitig lässt sich der Sercos SoftMaster damit vollkompatibel in ein Ethernet-TSN-Netzwerk einbinden, ohne seine Funktionalität in Bezug auf die Sercos-III-Echtzeit-Kommunikation einzuschränken.
Der Sercos SoftMaster steht als Open-Source-Software über SourceForge zum Download zur Verfügung. Die ANSI-C-Implementierung ist komplett plattformunabhängig gehalten und lässt sich an jedes Betriebssystem und jede Plattform anpassen. Aktuell werden bereits folgende Betriebssysteme unterstützt: Linux PREEMPT_RT (OSADL Linux), QNX Neutrino, Windows Embedded Compact, TenAsys INtime, IntervalZero RTX/RTX64, Windriver VxWorks, Linux (Standard Ubuntu 14 LTS), Windows Embedded Standard.
Link: sourceforge.net/projects/sercos-softmaster-core
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