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Erfolgsmodell TSN

: Beckhoff


Das große Manko von Ethernet: keine Echtzeitfähigkeit. Die IEEE-Arbeitsgruppe Time Sensitive Networking (TSN) will das ändern. Echtzeit soll fester Bestandteil des Ethernet-Standards werden, und kein nicht normenkonformes Addon mehr sein. Aber ist das wirklich sinnvoll?

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Ethernet wird in den Arbeitskreisen des IEEE-802-Projekts spezifiziert und weiterentwickelt. Vor zwei Jahren wurde dort auch die Task Group ‚Time Sensitive Networking‘ (TSN) etabliert. Ziel der Arbeitsgruppe: Ethernet für zeitkritische Anwendungen nutzbar machen. Allerdings bietet die IEEE 802 keine Komplettlösung an, sondern liefert Standards auf der Datenübertragungsschicht, die eine Einbindung in ein Anwendungskonzept erfordern.

Ursprünglich war geplant, diese Projekte der Task Group Time Sensitive Networking bis Ende 2016 zum Abschluss zu bringen. Doch zusätzlich zu den sechs bisher vorgeschlagenen Erweiterungen des Ethernet-Standards (siehe Kasten) werden mittlerweile bereits weitere Projekte diskutiert, zum Beispiel ein Verfahren, bei dem die zeitkritischen Nachrichten pro Zyklus nur zum nächsten Nachbarn weitergeleitet werden (IEEE 802.1Qch). Dies ist dann von Vorteil, wenn die Kaskadiertiefe gering ist. Dieser Ansatz kann helfen, drahtlose Geräte oder andere Komponenten mit schwer bestimmbarer Latenz einzubinden und ist robuster als die Zeitsteuerung.

Darüber hinaus diskutieren die Experten, wie man die Effekte von fehlerhaft agierenden Knoten klein halten kann. Dazu muss die Eingangsseite (Ingress) der Netzknoten die Partner überwachen. Auch in Ethernet selbst werden Veränderungen vorgenommen: hier ist vor allem die neue Zweidraht-Übertragungstechnik (100 Mbps: IEEE P802.3bw, 1 Gbps: IEEE P802.3bp) anzuführen, bei der ungeschirmte Kabel zum Einsatz kommen können. Treiber der neuen Projekte ist vor allem die Automobilindustrie. Treffen die Prognosen von einer halben Milliarde
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Durch ein Ampelsystem kann eine Verzögerung von Datenströmen durch niedrigprioritären Verkehr vermieden werden.

Durch ein Ampelsystem kann eine Verzögerung von Datenströmen durch niedrigprioritären...

verbauten Ethernet-Ports im Fahrzeug bis 2021/2022 zu, wird das nicht nur die direkten Zulieferer, sondern auch andere Märkte nachhaltig beeinflussen.

Wie sehr hilft TSN Automatisierern?

Kleine Datenmengen lassen sich mit den in TSN definierten Verfahren nicht effizient verteilen oder einsammeln. Im Vergleich zu einer Ethercat-Lösung wäre der Protokoll-Overhead auch im optimalen Fall bei einem typischem Datenaufkommen von unter 10 Bytes je Teilnehmer bei TSN zehnfach höher. Der signifikant weniger effiziente TSN-Ansatz ist also nicht wirklich für den klassischen I/O- oder Antriebsbereich geeignet. In einem heterogenen Umfeld mit Datenmengen über 100 Bytes pro Transfer kann er aber auch Vorteile haben. Ein solches Umfeld findet sich z. B. bei der Vernetzung von Steuerungen, bei Robotern im Zellenbereich oder auch bei der Einbindung von Kamerasystemen in Automatisierungsanlagen.

Keine maßgeschneiderten Lösungen

Standards können keine Rücksicht auf Einzelfälle und Sonderwünsche nehmen. Deshalb können Funktionen entstehen, die für die spezifischen Anwendungsfälle der Automatisierung nicht gut passen. So werden in der IEEE802.1Qca zwar topologische Informationen verteilt, allerdings wurde so viel Funktionalität in dieses Protokoll hinein gepackt, dass ein erheblicher Übertragungs- und Speicheraufwand anfällt.
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Die Organisation von Datenströmen muss wie ein Fahrplan eines Schienennetzes organisiert werden. Ein Umsteigen ist hier allerdings nicht vorgesehen.

Die Organisation von Datenströmen muss wie ein Fahrplan eines Schienennetzes...

Die mangelnde Skalierbarkeit schränkt die Nutzbarkeit für einfach ausgeprägte Knoten ein. Man könnte die wirklich wichtigen Informationen zur Topologie mit einem deutlich geringeren Aufwand verteilen.

Außerdem wurden Freiheitsgrade in der Synchronisation in der IEEE 802.1AS eingeschränkt. Das Verhalten der einzelnen Knoten kann jedoch zeitlich beliebig variieren. Das kann sich sehr negativ auf die Regelung des Taktes auswirken. So führt eine verzögerte Anpassung der Zeit in den einzelnen Knoten in kritischen Augenblicken zu einer erhöhten Ungenauigkeit.

Mit einer Zeitsteuerung lässt sich zwar den Einfluss von anderen Protokollen auf zeitkritische Aktionen eliminieren, darüber hinaus müsste man jedoch den verbleibenden Echtzeitverkehr so regeln, dass der zyklische Datenaustausch ohne Verzögerungen realisiert werden kann. Das ist ein komplexes Optimierungsproblem und auch bei einer nicht besonders hohen Zahl von Datenströmen lässt sich das Optimum nicht innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne ermitteln.

Integration in die Anwendungen

Die IEEE 802 kümmert sich nur um die Datenübertragung. Eine sogenannte Applikations-Schicht ist zusätzlich erforderlich, um die Kommunikation in das operative Geschehen einzubinden. Auf der Zellenebene dominieren heute die proprietären Protokolle einzelner Steuerungshersteller. Es gibt
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Die Datenströme werden so organisiert, dass keine Überlastsituationen auftreten können.

Die Datenströme werden so organisiert, dass keine Überlastsituationen auftreten...

Standards auf der I/O-Ebene, die in verschiedenen Systemen in ähnlicher Weise angeboten werden, allerdings meist mit einem eingeschränkten Adressiervolumen, das bei strukturierten Systemen hinderlich sein kann. CANopen-basierte Protokolle mit einigen Erweiterungen, wie sie bei Ethercat zur Anwendung kommen, kämen als geeignete Zwischenebene in Frage. Dies würde den Übergang zur I/O-Protokollwelt erleichtern und wäre sowohl im zyklischen als auch azyklischen Bereich effizient.

TSN ein Erfolgsmodell?

Die industrielle Kommunikation hat dazu beigetragen, die Automatisierungstechnik entscheidend voranzutreiben. Sie hat aber auch eine ganze Reihe von Entwicklungsgräbern produziert, wie etwa das Manufacturing Automation Protokoll (MAP) oder den Versuch, mit .NET-Komponenten zu vernetzen. Alle gescheiterten Ansätze zeichneten sich durch eine unnötig hohe Komplexität der Protokolle bei recht geringer Effizienz aus und hatten sich nicht an den Bedürfnissen der Automatisierer orientiert. TSN hat ebenfalls eine Tendenz zu komplexeren Verfahren. Dennoch gibt es eine ganze Reihe von Firmen, die ein starkes Interesse an einem standardisierten Echtzeit-Ethernet haben. Allerdings gibt es auf der Feldebene heute bereits gute und an die Automatisierung angepasste Lösungen, sodass hier die Bereitschaft nicht hoch sein wird, einen weiteren Feldbus zu etablieren. Weiter oben in der Automatisierungspyramide könnte TSN jedoch eine wichtige Rolle spielen.

Es ist daher sehr wohl sinnvoll, sich mit TSN und den damit verknüpften Aktivitäten
auseinanderzusetzen, auch wenn noch einiges offen ist. Dabei müssen Automatisierer und Automatisierungsanbieter auf das bisher Erreichte in der I/O-Ebene aufsetzen. Wenn TSN ein Erfolgsmodell für die Automatisierung in einer heterogenen Zelleninfrastruktur werden soll, muss man sich auf ein Anwendungsprotokoll einigen und die geeigneten Echtzeitmechanismen aus dem TSN-Fundus auswählen.


Durch ein Ampelsystem kann eine Verzögerung von Datenströmen durch niedrigprioritären Verkehr vermieden werden.
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Die Datenströme werden so organisiert, dass keine Überlastsituationen auftreten können.


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