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Time Sensitive Networking (TSN) - Basis für die Industrie 4.0

Die vierte industrielle Revolution ist dadurch gekennzeichnet, wie Information den Produktionsprozessen zur Verfügung gestellt bzw. aus ihnen gewonnen wird. Entscheidend hierfür ist Echtzeitfähigkeit. Mithilfe von Time Sensitive Networking (TSN) stehen standardisierte Methoden zur Verfügung, um diese zu gewährleisten.

In der industriellen Fertigung müssen Werkzeuge, Geräte und Maschinen exakt aufeinander abgestimmt sein, damit es zu keinen Schäden am Werkstück oder der Maschine kommt. Voraussetzung dafür ist der Datenaustausch in Echtzeit. Das bedeutet, dass alle beteiligten Geräte immer über die identische Zeitbasis verfügen müssen und garantiert sein muss, dass Antworten innerhalb einer vorgegebenen Zeit den Empfänger erreichen. Industrial-Ethernet-fähige Technologien wie Ethercat oder Profinet gewährleisten solche Antwortzeiten. Da jedes Bussystem für bestimmte Anwendungen optimiert ist, haben sich mehrere Standards etabliert.

Im nichtindustriellen Bereich und auf den oberen Ebenen der Automatisierungspyramide hat sich dagegen Ethernet, bedingt durch seine Robustheit und Zuverlässigkeit, weitgehend durchgesetzt. Die für industrielle Prozesse benötigte Echtzeitfähigkeit kann es jedoch nicht erfüllen.

Für die Umsetzung der Industrie 4.0 ist die Verschmelzung der beiden Netzwerk-Welten erforderlich, um durchgängige, autonom agierende Systeme zu schaffen. Hier setzt die Idee des ◊Time Sensitive Networking", kurz TSN, an. Es läuft zusätzlich zur klassischen Kommunikation und ermöglicht die Echtzeitkommunikation auch in heterogenen Umgebungen, also wenn verschiedene Bussysteme und Ethernet im Einsatz sind.

Voraussetzungen für Echtzeit

Eine Grundvoraussetzung für echtzeitfähige Systeme sind hochgenaue Uhren in jedem Endgerät, die synchronisiert sein müssen. Damit lässt sich jedes Datenpaket mit einem Zeitstempel versehen. Dies ist die Aufgabe des Precision Time Protocol PTP-1588. Pakete in den klassischen Protokollen TCP/IP bzw. UDP können zwar keinen Zeitstempel erhalten, mit (g)PTP und 802.1Qbv-2015 sind sie trotzdem für Echtzeitkommunikation nutzbar.

Auf Basis des Zeitstempels erhält jedes Datenpaket zudem ein Zeitfenster (Scheduling und Traffic Shaping) und eine Priorisierung (Auswahl der Kommunikationspfade, Reservierungen und Fehlertoleranz). Für letzteres stehen unter TSN acht Prioritäten zur Verfügung, die die maximale Antwortzeit des Datenpaketes angeben. Nur durch diese drei Faktoren ist eine zeitkritische Kommunikation möglich.

Ein Ethernet Frame, also der Datensatz mit Informationen wie Ziel- und Quelladresse, Steuerinformationen u.ä. ist ◊netto" ohne Header, Trailer und Schutzzeit (Zeit zwischen zwei Datenpaketen) 1500 Byte groß. Brutto, also mit diesen Informationen, kommt das gesamte Datenpaket bei 12 Byte Schutzzeit (9,59 ns) auf 1538 Byte. Bei 100 Mbit/s benötigt ein solches Paket folglich1,23 µs. Das heißt: Mit TSN lassen sich Genauigkeiten im µs-Bereich realisieren. Bei reinen Hardwarelösungen sind Zeitpakete bis in den Nanosekunden-Bereich möglich.

Der Teil der TSN-Mechanismen, die für Echtzeitfähigkeit sorgen, findet sich in der 2. Schicht des 7-Schichten-OSI-Modells, dem Data Link Layer. Da Funktionen dieser Schicht unter TSN standardisiert sind, können verschiedene Protokolle dieselbe Netzwerk-Infrastruktur nutzen. Die 2. Schicht ist in zwei Sub-Layer unterteilt, in denen die Protokolle zur Echtzeitfähigkeit implementiert sind und die TSN-Daten übertragen werden: die MAC- (Media Access Control) und die LLC- (Logic Link Control) Schicht.

TSN eröffnet in vielen Bereichen ganz neue Möglichkeiten, doch zwei profitieren ganz besonders von den Standards: die industrielle Automation und das Automobil.

TSN im Automobil

Eine wachsende Anzahl an Fahrerassistenzsystemen als Vorstufen auf dem Weg zum autonomen Fahren erfordert im Fahrzeug nicht nur höhere Datenraten, sondern auch eine deterministische Kommunikation - d.h. Daten müssen in einer exakt festgelegten Zeit den Empfänger erreichen - mit niedriger Latenzzeit sowie Ausfallsicherheit.

Dies lässt sich mittels TSN unabhängig von der bislang eingesetzten Kommunikationstechnologie realisieren. Da die Leitungslängen im Fahrzeug naturgemäß sehr kurz sind, lässt sich Echtzeitfähigkeit hier relativ einfach erreichen. Mit Gigabit-Ethernet ermöglicht TSN sogar noch niedrigere Latenzzeiten und noch kleineren Jitter.

TSN in der industriellen Automation

In der industriellen Automation existiert aktuell eine heterogene Struktur von Feldbussen, die alle in TSN migriert werden müssten. Deshalb wird es hier länger als im Automobilbereich dauern, bis diese Standards sich durchsetzen. Die Triebfeder hinter dem Einsatz von TSN ist jedoch stark: Es sorgt dafür, dass signifikant weniger Kommunikationshardware benötigt wird und die Vielzahl der eingesetzten Protokolle verschwindet.

Aus heutiger Sicht noch ein Fernziel ist der Einsatz von TSN bis hinunter auf die Sensor-/Aktor-Ebene, da die Kosten für Kommunikationshardware wie MAC/PHY und Mikrocontroller noch zu hoch sind.

Lösungen für TSN

Für die Realisierung von TSN mit überschaubarem Aufwand empfiehlt sich die Neutrino-Familie von Toshiba. Basis der Ethernet-AVB- (Audio/Video Bridging)/TSN-Bridge-Lösung ist der Network Interface Controller TC9562. Er unterstützt die Standards IEEE 802.1as für die Zeitsynchronisation, IEEE 802.1Qav (Ethernet-AVB) sowie IEEE 802.1Qbv zum Traffic Shaping, d.h. die Festlegung von Regeln für die Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen, IEEE 802.1Qbu und IEEE 802.3br für die Frame Pre-emption, also eine effizientere Übertragung der nicht zeitkritischen Daten.

Wird der TC9562 mit einem Applikationsprozessor oder einem anderen Host-SoC verbunden, kann das Host-Gerät Daten (z.B. Audio-/Video- und Steuerdaten) über 10/100/1000-Mbit/s-Ethernet liefern. Host-seitig verfügt er über ein PCIe-Interface mit 5 GT/s. Im Baustein integriert ist ein ARM Cortex-M3 mit 187 MHz, schnelles RAM und als Kernstück ein AVB- und TSN-fähiger MAC, der Echtzeitübertragung und Quality of Service ermöglicht. Da dies größtenteils der On-Chip-Controller erledigt, ist der Zusatzaufwand im Host minimal. Zusätzlich wird lediglich ein passender PHY benötigt. Für die Entwicklung stehen ein Referenz-Board sowie umfangreiche Software, wie Linux-Treiber, zur Verfügung.

Eine interessante Alternative ist der I225 von Intel, da dieser über eine Kombination von MAC und PHY verfügt und das IEEE-1588-Feature (Zeitstempelgenerierung) in der Hardware mitbringt. Abgesehen von der Echtzeituhr (1588), die im I225 implementiert ist, müssen sämtliche Echtzeitprotokolle, die für TSN benötigt werden, von versierten Entwicklern in der zweiten Schicht implementiert und vom Host-Prozessor bearbeitet werden.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Figure 2: How existing machinery and devices can be used to develop a TSN network
Bild 2: Wie sich mit vorhandenen Maschinen und Geräten ein TSN-Netzwerk aufbauen lässt