11.11.2016

Vernetzung von Antrieben mit echtzeitfähigem Ethernet

Ablöse für den Feldbus?

Unter dem Begriff Time Sensitive Networking, kurz TSN, zusammengefasst, laufen derzeit vielversprechende Standardisierungsaktivitäten, die Standard-Ethernet um native Echtzeitfähigkeit erweitern sollen. Diese Mechanismen können mittelfristig zu heterogenen, echtzeitfähigen Ethernet-Netzen im Bereich Consumer und Automotive führen, sie bieten aber auch großes Potential für die industrielle Automatisierung. Auf der diesjährigen SPS IPC Drives lässt sich ein Eindruck vom potentiellen Nachfolger des proprietären Feldbusses gewinnen.


Komponenten für die Antriebskommunikation mit Echtzeit-Ethernet
Bild: ISW Universität Stuttgart

In der Automatisierungstechnik ist die Synchronisation von Steuerungen, Antrieben oder IO-Komponenten mit einer ms-Auflösungen schon lange Stand der Technik. Es koexistieren unterschiedliche Feldbus-Standards, welche jedoch häufig auf proprietäre Hardware setzten um eine ausreichende Echtzeitfähigkeit der Transportschicht zu gewährleisten. In Verbindung mit den relativ geringen Stückzahlen führt das zu erheblichen Kosten und stellt eine Barriere für die Interoperabilität dar. Wie bereits in der Vergangenheit beim Übergang der industriellen Steuerungen von anwendungsspezifischer hin zu PC-basierter Hardware geschehen, zeichnet sich nun auch im Bereich der industriellen Kommunikation ein vergleichbarer Trend ab. Mit der Verwendung von standardisierten, branchenübergreifend eingesetzten Komponenten gehen in erster Linie Kostenvorteile einher, auch wird die Abhängigkeit von einzelnen Herstellern oder Konsortien reduziert. Durch die zu erwartende breite Verfügbarkeit von TSN-fähigen Netzwerkkomponenten ergibt sich ohne explizite Migration mittelfristig die technologische Basis, um zeitkritische Kommunikation nun auch über heterogene Netze übertragen zu können.

TSN - Eine kurze Einführung

Innerhalb einer Arbeitsgruppe der IEEE, der Time-Sensitive Networking Task Group, welche ursprünglich aus dem Audio-/Videobereich hervorgegangen ist, werden entsprechende Mechanismen als Erweiterung des etablierten Ethernet-Standards erarbeitet und verabschiedet. Auch wenn dieser Prozess heute noch nicht vollständig abschlossen ist, sind potentielle Anwendungen bereits jetzt gut erkennbar. Für ein besseres Verständnis werden hier einige charakteristische Teilstandards kurz vorgestellt:

  • • 802.1AS-Rev: Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications: Für die exakte Zeitsynchronisation der Teilnehmer eines lokalen Netzes bis in den Bereich von Nanosekunden wird auf ein bewährtes Konzept aus dem Standard IEEE 1588 zurückgegriffen. Um auch bei Ausfall der Master-Uhr die Synchronisierung aufrechtzuerhalten, wurden in der aktuellen Variante entsprechende Redundanzmechanismen eingeführt.
  • • 802.1Qbv: Enhancements for Scheduled Traffic: Um zu gewährleisten, dass Ethernet-Pakete mit minimaler Latenz auch über mehrere Netzwerkkomponenten hinweg transportiert werden können, spezifiziert dieser Standard Mechanismen zur Reservierung entsprechender Zeit-Slots. Hierdurch ist gewährleistet, dass in diesen Zeiträumen keine anderen Frames den Übertragungskanal belegen und es zu keinen Wartezeiten kommt.
  • • 802.1Qbu: Frame Preemption: Selbst bei entsprechender Priorisierung von Paketen, beispielsweise über Tag-basierte VLANs, müssen bisher bereits laufende Übertragungen stets abgewartet werden. Hier setzt ein weiterer TSN-Standard an, welcher die Übertragung von einzelnen Frames unterbrechbar macht und somit die zeitliche Granularität des Übertragungskanals deutlich erhöht
  • • 802.1CB: Frame Replication and Elimination for Reliability: Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit von Kommunikationsnetzen sind redundante Übertragungsnetze ein anerkannter Ansatz. Allerdings erfordert die Umschaltung auf einen alternativen Pfad typischerweise erst die Erkennung eines Ausfalls, was für Echtzeit-Anwendungen bereits zu spät sein kann. Stattdessen setzt dieser TSN-Standard auf das gleichzeitige Versenden identischer Pakete über redundante Pfade, welche bei Erreichen des Ziels wieder eliminiert werden.

Heterogene Automatisierungsnetze

Heute wird eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen genutzt. Von der Leitebene zur Feldebene herab ist dabei eine zunehmende Echtzeitfähigkeit des Übertragungsmediums unumgänglich. Obwohl ein Trend zu Ethernet-basierten Protokollen erkennbar ist, fehlen im ursprünglichen Standard IEEE802.3 entsprechende Mechanismen für die Einhaltung von Übertragungsgarantien, selbst der Buszugriff ist genaugenommen nichtdeterministisch. Harte Echtzeitfähigkeit lässt sich hier bislang nur mittels Modifikationen erreichen, wodurch die entsprechenden Netzsegmente separiert werden müssen und inkompatibel zur restlichen IT werden. Mit der Verbreitung von Netzkomponenten mit TSN-Unterstützung, kommen unterschiedliche Nutzungsformen für konvergente Netze in Frage. Übertragungen mit hoher Bandbreite sowie sowie geringer Latenz und Jitter teilen sich die Infrastruktur. Eine wesentliche Herausforderung hierbei wird sicherlich das Management einer entsprechend großen Teilnehmerzahl mit sehr unterschiedlichen Nutzungscharakteristiken.

TSN als Feldbusersatz

Heute genutzte Feldbusse bringen typischerweise Vorgaben zur möglichen Netztopologie mit. Das führt zu Einschränkungen bei Anordnung und Verdrahtung der Teilnehmer und damit erhöhtem Projektierungsaufwand. Weiter sind ggf. geforderte redundante Verbindungen nicht wahlfrei möglich. Mit der Nutzung von TSN-Ethernet als Transportschicht fallen derartige Einschränkungen weg. An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass die etablierten Feldbusse natürlich mehr mitbringen, als die Übertragungs-/Sicherungsschicht. Hier ist vor allem die Profillandschaft von Bedeutung, welche eine systematische Einordnung unterschiedlicher Geräteklassen vornimmt und für sich genommen vom Übertragungskanal unabhängig ist. Hier bietet es sich an, entsprechende Profile auch über TSN-Ethernet zu nutzen, unter Wegfall der Beschränkung auf das jeweilige Übertragungsmedium. Es ist damit auch denkbar, dass eine Steuerung Feldgeräte mit verschiedenen Profilen über eine einzige physikalische Schnittstelle bedient.

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Wie geht es weiter?

Mit OPC UA steht bereits ein Kommunikationsprotokoll bereit, welches für Transport und Beschreibung von Daten auf sehr unterschiedlichen Ebenen großes Potential und zunehmende Verbreitung aufweist. Die bisher mangelnde Eignung für Echtzeitdaten ist ein Aspekt, der sich mit TSN schnell ändern könnte. Insgesamt ist aufgrund der herstellerunabhängigen Standardisierung und der branchenübergreifenden Bedeutung mit einem raschen Zuwachs kompatibler Chipsätze und Protokolle zu rechnen. Die innerhalb von TSN standardisierten Mechanismen sind vielfältig und müssen für einzelne Anwendungen nicht zwingend in ihrer Gesamtheit genutzt werden. Sobald jedoch eine entsprechende Anzahl von Netzwerkkomponenten TSN-fähig ist, ergeben sich hier auch für die Automatisierungstechnik eine Vielzahl neuer Möglichkeiten und Herausforderungen.

Proof of Concept

Mit der Verfügbarkeit von echtzeitfähigem Standard-Ethernet fällt eines der wesentlichen Argumente für den klassischen Feldbus weg. Das ISW der Universität Stuttgart hat sich deshalb die Frage gestellt, wie Echtzeitkommunikation in der Automatisierungstechnik zukünftig aussehen könnte. Eine mögliche Antwort stellt das Institut auf der SPS IPC Drives in Halle 8 an einem Beispielszenario vor: Zwei Antriebsregler, basierend auf einer offenen FPGA-Plattform werden über industrielle Switche der Firma Hirschmann hinweg synchron mit Sollwerten aus einen NC-Kern (ISG-kernel) versorgt. Die Priorisierung der Echtzeittelegramme mittels 802.1Qbv garantiert, dass gleichzeitig im Netzwerk auftretender normaler IP-Traffic die zyklische Versorgung der Antriebe mit Sollwerten nicht beeinflusst. Für eine einheitliche Zeitbasis wird ein Stack der ZHAW eingesetzt. Hiermit wird gezeigt, wie sich eine auch für anspruchsvolle Motion-Anwendungen ausreichende Synchronisation der Achsen erreichen lässt.

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