TSN als konvergenter Netzwerkstandard So lässt sich TSN mit verfügbaren Standardbauteilen nutzen

Autor / Redakteur: Arno Stock* / Ines Stotz

TSN ist ein noch junger Standard und die notwendige Hardwareunterstützung befindet sich erst im Aufbau. Doch auch mit verfügbaren Standardbausteinen wie der Renesas RZ/N1-Produktfamilie, die auf erweiterten Vorläuferstandards basieren, lassen sich die Vorteile der TSN-Technologie bereits heute nutzen, solange die Unterschiede in der konkreten Anwendung akzeptabel sind.

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Die Einführung der TSN-Technologie in die Automatisierungswelt wird heute nicht mehr in Frage gestellt.
Die Einführung der TSN-Technologie in die Automatisierungswelt wird heute nicht mehr in Frage gestellt.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Erweiterungen des Standards IEEE 802.1Q für Ethernet-Switching, die unter dem Oberbegriff „Time Sensitive Networking“ (TSN) geführt werden, ermöglichen Automatisierungslösungen mit einer homogenen Netzwerkarchitektur vom Sensor bis zur Cloud. Im Gegensatz dazu bedeuten herkömmliche Lösungen, die zur Gewährleistung harter Echtzeit auf Feldebene proprietäre Netzwerkstandards verwenden, stets einen Bruch in der Netzwerkarchitektur. Die TSN-Technologie löst diese Bruchstelle auf und erleichtert damit den Informationsfluss zwischen Feldebene und höheren Schichten der Automatisierungshierarchie. Außerdem profitieren Anwender und Gerätehersteller von einer vereinheitlichten Hardware, die Flexibilität und Kostenersparnis bedeutet. Ein weiterer Pluspunkt ist die bessere Ausnutzung der installierten Geräte und Kabel durch gemeinsame Verwendung für verschiedenste Aufgaben ohne Risiko der gegenseitigen Beeinflussung.

Aufgrund der genannten Vorteile wird die Einführung der TSN-Technologie in die Automatisierungswelt heute nicht mehr in Frage gestellt. Unterschiedliche Strategien finden sich lediglich bezüglich des Zeitpunkts und der Schrittfolge. Bereits heute haben einzelne Hersteller erste TSN-fähige Produkte auf dem Markt, weitere sind fest angekündigt und andere werden nach und nach folgen.

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Eine Kernfrage bei der Einführung neuer Technologien ist die breite Verfügbarkeit geeigneter Hardware. Die TSN-Standards sind noch relativ jung und die Umsetzung in entsprechende Halbleiterbausteine braucht Zeit. Auf der anderen Seite benötigt nur ein kleiner, allerdings wesentlicher Teil der TSN-Standards spezielle Hardwareunterstützung. Viele TSN-bezogene Funktionen, z. B. zur Netzwerkverwaltung, sind rein softwarebasiert und können problemlos auf beliebiger Hardware implementiert werden.

TSN-Funktionalität: 2 Wege für Gerätehersteller

Heute stehen Geräteherstellern hauptsächlich zwei Wege offen, um TSN-Funktionalität in ihren Geräten abzubilden: Zum einen bieten FPGA-basierte Netzwerkinterfaces eine flexible Möglichkeit, neueste Funktionen zeitnah in Produkte einfließen zu lassen. Der Preis hierfür sind relativ hohe Produktkosten, der Entwicklungsaufwand für die FPGA-Logik inklusive Test, Zertifizierung und eventueller IP-Lizenzkosten.

Zum anderen bietet der Markt Standardhalbleiter, die Vorläufer der TSN-Funktionen verifiziert und kostengünstig bereitstellen. Dies ist möglich, weil die TSN-Standards größtenteils auf bewährten Konzepten aufsetzen und diese weiterentwickeln und verallgemeinern, statt das Rad ein weiteres Mal neu zu erfinden. Abhängig von den konkreten Anwendungsanforderungen ist es mit diesen TSN-Vorläuferbausteinen heute schon mögliche und gängige Praxis, TSN-Funktionalität basierend auf verfügbaren Standardbausteinen in Automatisierungslösungen einzusetzen.

TSN-Technologie für ein Automatisierungssystem

Die Anforderungen an die Netzwerkelemente, insbesondere Endknoten und Switches, unterscheiden sich abhängig von ihrer Funktion und Anordnung im Netz. Die Netzwerkschnittstelle einer PLC oder eines Computers in der Edge muss leistungsfähiger sein als die eines einfachen Feldgeräts. Ebenso müssen Switches auf dieser Ebene eine wesentlich höhere Netzlast bewältigen als ihre Artgenossen in einer Linie am unteren Ende der Feldebene. Dies schlägt sich auf die Minimalanforderungen an die entsprechenden Komponenten nieder, sodass speziell im Bereich einfacher Feldkomponenten mit nur zwei externen Ethernet-Ports vereinfachte Lösungen für Linien- oder Ringtopologien möglich werden.

Die Familie der TSN-Substandards bietet zwei wesentliche Methoden für zeitlich deterministische Übertragung an: Priorisierung und Frame Pre-emption (asynchron) sowie zeitgesteuerte Übertragung in reservierten Zeitfenstern (TDMA-Verfahren, synchron). Beide lassen sich auch kombiniert einsetzen.

In der Industrieautomatisierung steht derzeit in Bezug auf harte Echtzeit über TSN die zeitgesteuerte Übertragung im Vordergrund. Dieses Prinzip hat sich bereits bei etablierten Standards wie Profinet IRT, Sercos III, Ethercat oder Powerlink bewährt.

Der TSN-Standard IEEE802.1Qbv erweitert und verallgemeinert die bisherigen proprietären Mechanismen, um ihren Anwendungsbereich zu erweitern und eine Koexistenz unterschiedlicher Echtzeitsysteme in einer gemeinsamen Netzwerkdomain ohne gegenseitige Beeinflussung zu ermöglichen. Das zeitgesteuerte Senden nach Qbv vermeidet unerwünschte Kollisionen zwischen unterschiedlichen Datenströmen, die den Switch an einem gemeinsamen Port verlassen. Handelt es sich bei der betrachteten Komponente lediglich um einen Endknoten mit einem einzigen Ethernet Port, d. h. ohne integrierte Switchfunktionalität zur Durchleitung, so reicht schon die ausreichend genaue Kontrolle des Sendezeitpunkts einzelner Ethernet Frames für die Teilnahme an einer zeitgesteuerten TSN-Kommunikation aus.

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Eine akkurate Zeitsynchronisation aller teilnehmenden Netzkomponenten mit Submikrosekunden-Genauigkeit ist die notwendige Voraussetzung für den effektiven Einsatz der zeitgesteuerten Übertragung. Die etablierten Verfahren nach IEEE1588 bzw. IEEE802.1AS stellen dieselben Anforderungen an die Hardware. Entsprechende Bausteine müssen über einen PTP-Hardwaretimer verfügen, von dem Zeitstempel beim Senden und Empfangen der Zeitsynchronisationsnachrichten abgeleitet werden. Frequenz und Phase des PTP-Timers müssen sich durch die Zeitsynchronisation nachregeln lassen.

TSN in bestehenden Bausteinen

Einige aktuell verfügbare Halbleiterbausteine, wie die der Renesas RZ/N1-Familie, bieten bereits Mechanismen wie die hochgenaue Zeitsynchronisation sowie zeitgesteuerte Übertragung im TDMA-Verfahren.

Für TSN ist das neue IEEE 802.1AS-Rev-Protokoll vorgesehen, das auf IEEE 1588 fußt und keine zusätzlichen Ansprüche an die Hardware stellt. Heute wird alternativ sein Vorläufer IEEE 802.1AS oder das bisherige IEEE 1588 eingesetzt. Die Unterschiede in der Umsetzung der beiden liegen ausschließlich in den Softwareschichten.

Das TDMA-Verfahren wurde als Erweiterung der Qav-Spezifikation ebenfalls schon in verfügbaren Chips umgesetzt. Hierbei wird die Klassifikation der Ethernet-Frames nach Qav verwendet, um sie einzelnen Zeitschlitzen innerhalb eines Übertragungszyklus zuzuordnen. Dieser Mechanismus ist der Vorläufer des TSN-Substandards Qbv. Ein Chip mit 1588/.1AS-Unterstützung und Qav+TDMA ist geeignet, um eine vereinfachte Qbv-TSN-Funktionalität zu realisieren. Hierdurch werden die Vorteile der TSN-Technologie auf Feldebene sowohl in einfachen Endknoten für Sternverdrahtung als auch für Linien- oder Ringtopologien sowie Mischformen nutzbar.

Bild 2 zeigt den Aufbau der TDMA-Funktion in den RZ/N1-Bausteinen. Am oberen Ende werden die einkommenden Ethernet-Frames durch die Forwarding Engine an ihre Zielports weitergeleitet. Dort wird jeder Frame nach einstellbaren Kriterien klassifiziert und in eine der vier Ausgangswarteschlagen (Queues) eingestellt. Der gPTP-Hardware-Timer wird auf die Netzwerkzeit der TSN-Domäne synchronisiert. Von ihm leiten sich alle Zeitschlitze des TDMA-Mechanismus ab. Die Zeitschlitze, deren Länge sich individuell konfigurieren lässt, werden zentral für alle Ethernet-Ports des Bausteins in einer Gate-Control-Liste mit vier Einträgen beschrieben. In jedem Zeitschlitz lassen sich über eine Bitmaske gesteuert beliebige Queues der Ausgangsports öffnen. In diesem Zusammenhang bedeutet „geöffnet“, dass Ethernet-Frames, die sich in einer Queue befinden, über die Prioritätssteuerung an den MAC und damit auf das Kabel gelangen können. Die Prioritätssteuerung wählt stets den Ethernet-Frame der am höchsten priorisierten, geöffneten Queue zur Weiterleitung aus. Ethernet Frames, die sich in einer „geschlossenen“ Queue befinden, werden hingegen in dem betreffenden Zeitschlitz nicht weitergeleitet.

Bild 2: Aufbau der TDMA-Funktion
Bild 2: Aufbau der TDMA-Funktion
(Bild: Renesas)

Die Unterschiede zu einer Qbv-fähigen Hardware bestehen hauptsächlich in der Anzahl unterschiedlicher Queues und Zeitschlitze, also der Diversifizierung bei der Behandlung einzelner Ethernet Frames.

Tabelle 1 zeigt eine detaillierte Gegenüberstellung. Chips der Renesas RZ/N1-Familie unterstützen beispielsweise vier Queues und vier Zeitschlitze. Zum Vergleich: Der TSN-Standard Qbv definiert acht Queues und lässt die Anzahl der Zeitschlitze offen. Außerdem besitzt ein Switch nach dem Qbv-Standard zwar einen zentralen gPTP-Timer, die Gate-Control-Liste ist jedoch portspezifisch, so dass jeder Port des Switches einen individuellen Zeitplan erhalten kann.

Tabelle 1: Gegenüberstellung Qbv und Qav+TDMA
Tabelle 1: Gegenüberstellung Qbv und Qav+TDMA
(Bild: Renesas)

Bei einem Feldgerät mit einzelnem Ethernet-Port sowie Feldgeräten in einer einfachen Linien- oder Ringtopologie unter Nutzung des Embedded-Switches sind die oben genannten Einschränkungen oft akzeptabel. Es müssen nur wenige verschiedene Echtzeit-Streams übertragen werden und der Übertragungszeitplan ist für sämtliche Ports identisch, um einen ungehinderten Durchfluss der Ethernet Frames durch die Komponente und damit durch die Linie oder den Ring zu ermöglichen. Das folgende TSN-Anwendungsbeispiel verdeutlicht dies.

TSN-Anwendungsbeispiel

Die Beispielkonfiguration in Bild 3 zeigt, wie sich mit der vorhandenen Ausstattung der RZ/N1-Bausteine eine TSN-basierte Automatisierungslösung aufbauen lässt.

Bild 3: TSN-Beispielsystem
Bild 3: TSN-Beispielsystem
(Bild: Renesas)

Eine TSN-fähige PLC, physikalisch in der Anlage oder virtuell auf einem Edge-Rechner, steuert eine Vielzahl von I/O-Komponenten (TEP n.m) an, die in zwei Linien organisiert sind. Alternativ wäre hier auch eine Ringstruktur möglich. Der Netzwerkverkehr ist zeitgesteuert und mit den Arbeitszyklen der PLC synchronisiert. Die Arbeitszyklen der PLC bestehen aus drei Phasen: Aktuelle Istwerte von den I/O-Geräten lesen, neue Ausgangswerte durch das PLC-Programm berechnen und die neuen Ausgangswerte an die Endgeräte ausgeben. Die Phasen 1 und 3 überlappen sich jeweils zeitlich. Der TSN-Backbone bestehend aus den TSN-Switches TSW 1 und TSW 2 muss sämtlichen Netzwerkverkehr zwischen PLC und den Sub-Ringen transportieren sowie gegebenenfalls noch - wie durch die Switches TSW x1 und TSW x2 angedeutet – weiteren Querverkehr zwischen Netzwerkteilen, die durch das betrachtete Segment verbunden sind. Dies erfordert die volle Unterstützung der TSN-Standards Qbv und gegebenenfalls auch Qbu durch die Backbone-Switches TSW 1 und TSW 2.

In den Unterlinien fallen die Anforderungen deutlich entspannter aus. Die Komponenten TEP n.m müssen dort ausschließlich Netzwerkverkehr von und zu benachbarten Komponenten weiterleiten. Ihre Rolle als TSN-Endpunkt beschränkt sich auf jeweils einen einzigen Echtzeit-Stream in Sende- und Empfangsrichtung zur Kommunikation mit der PLC sowie weitere, nicht zeitkritische Kommunikation, beispielsweise zur Zeitsynchronisation oder als OPC-UA-Server.

Tabelle 2 zeigt für dieses Beispiel die unterschiedlichen Klassen und ihre Abbildung auf die verfügbare Hardware der RZ/N1-Bausteine, die hier sämtliche Anforderungen an die in dieser Konstellation nötigen TSN-Funktion erfüllen.

Tabelle 2: Kommunikationsklassen des Beispielnetzwerks
Tabelle 2: Kommunikationsklassen des Beispielnetzwerks
(Bild: Renesas)

In dem Beispiel sind sämtliche Netzwerk-Komponenten, Switches und Endnodes über das IEEE 802.1AS Zeitsynchronisationsprotokoll miteinander synchronisiert und benutzen zeitgesteuertes Senden zur Vermeidung ungewollter Kollisionen. Die Kommunikation erfolgt in einem festen Zeitraster, welches sich zyklisch wiederholt. Die Zuordnung der Klassen zu den Zeitschlitzen dieses Rasters für Geräte in den Unterlinien sind ebenfalls Tabelle 2 zu entnehmen. Die Zykluszeit sowie die Länge der einzelnen Zeitschlitze richten sich nach der Anwendung. Zeitschlitz T3 ist immer leer, d. h. keine Queue darf zu diesem Zeitpunkt senden, und sollte die zeitliche Länge des längsten auftretenden Ethernet Frames haben. Damit wird garantiert, dass die Ausgangsports zu Beginn des Echtzeitfensters T0 stets frei und nicht noch durch den vorhergehenden Frame belegt sind, was zu einer unerwünschten Verzögerung beim Senden des Echtzeitframes führen würde.

Kommunikationsschema

Sämtliche Endpunkte TEP n.m senden zu Anfang jedes Netzwerkzyklus ihre aktuellen Istwerte als Eingangsvariablen an die PLC. Die PLC sendet ihrerseits die neuen, im letzten Zyklus bestimmten Ausgangswerte an die Endpunkte. Hierzu ist in jeder Linie und auf dem Backbone ein Zeitschlitz T0 reserviert, in dem nur Echtzeitdaten zwischen den Endpunkten TEP n.m und der PLC übertragen werden. Kollisionen mit anderem Netzwerkverkehr sind ausgeschlossen, sodass die maximale Übertragungsdauer von und zu jedem Endpunkt garantiert ist. Die Endknoten übertragen ihre Istwerte in beiden Linien zeitgleich an ihre übergeordneten Backbone-Switches TSW 1 und TSW 2. Diese sammeln die Daten und schicken sie in Richtung PLC weiter. Auch hier sind Kollisionen zwischen Frames der Linien untereinander ausgeschlossen, da die Backbone-Switches die Daten jeder Linie in einem eigenen Zeitschlitz übertragen. Dies erfordert entsprechende Ressourcen in den Backbone-Switches.

Um ein möglichst zeitgleiches Eintreffen der PLC-Ausgangswerte in jedem der Endknoten TEP n.m zu erzielen, werden die Ausgangswerte in zwei Schritten übertragen: Zuerst an die um einen Switch weiter entfernte Linie 2, dann an Linie 1. In den Unterlinien ist der Zeitschlitz T0 so groß zu wählen, dass für die Weiterleitung sämtlicher Ausgangsgrößen genügend Zeit zur Verfügung steht. Der gleichzeitige Austausch von Ist- und neuen Ausgangswerten ist ohne weitere Maßnahmen kollisionsfrei, da die Daten in entgegengesetzten Richtungen fließen.

Nachdem sämtliche Istwerte innerhalb ihrer festgelegten Übertragungsfenster bei der PLC sowie die neuen Ausgangswerte an allen Endknoten angelangt sind, beginnt die PLC mit der Abarbeitung ihres Anwenderprogramms, das aus den aktuellen Istwerten die neuen Ausgangswerte ermittelt.

Die Ausgangsknoten verarbeiten ihre neuen Sollwerte synchron basierend auf der netzwerkweit synchronisierten Zeit, sodass sämtliche Komponenten ihre Ausgangszustände zeitgleich ändern.

Bild 4: TSN-Zeitplan
Bild 4: TSN-Zeitplan
(Bild: Renesas)

Nachdem die PLC ihre Berechnungen abgeschlossen hat, fügt sich der nächste Netzwerkzyklus an.

Auf dem TSN-Backbone und in den Linien eins und zwei können außerhalb der betrachteten reservierten Zeitschlitze zusätzliche Daten übertragen werden, ohne dass eine Rückwirkung auf das betrachtete Echtzeitsystem befürchtet werden muss. Beispielsweise lassen sich Echtzeitdaten RT x zwischen angrenzenden Netzsegmenten in eigenen Zeitschlitzen kapseln, solange der Gesamtdatendurchsatz der einzelnen Netzwerkstränge eine ausreichend verbleibende Bandbreite bietet. Weitere wichtige Datenströme dienen zur Zeitsynchronisation oder zur Abfrage von OPC-UA-Objekten.

* *Arno Stock, System Design Engineer, Renesas Electronics Europe

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