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Ein Fundament für die Industrie 4.0

Echtzeit-Kommunikation mit OPC UA TSN

12. Mai 2016, 10:06 Uhr | Wolfgang Leindecker (TTTech Computertechnik)

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Kompakt: Time Sensitive Networking

Time-Sensitive Networking (TSN) ist der Oberbegriff für verschiedene IEEE-Substandards zur Erweiterung des Ethernet-Netzwerks um eine Echtzeit-Datenübermittlung. Sie ermöglichen unter anderem

determinierte Latenzzeiten in Switched-Netzwerken
die Übertragung von zeitkritischem und nicht-zeitkritischem Datenverkehr über ein gemeinsames Netzwerk
eine Erweiterung von Echtzeit-Kontrollsystemen um weitere Komponenten ohne zusätzliche Modifikationen am Netzwerk

Das zentrale Prinzip hinter TSN ist ein Konzept namens Time Aware Shaper (TAS, Bild). Switches, die nach diesem Prinzip arbeiten, teilen den Datenverkehr gemäß ihrer Priorität in verschiedene Warteschlangen (Queues) ein, die anhand eines globalen Zeitplans (global schedule) abgearbeitet werden.

Zeitkritische Daten-Frames erhalten einen entsprechenden Eintrag im VLAN Tag (Virtual Local Area Network), anhand dessen die Einteilung in eine bestimmte Warteschlange geschieht. Jede Warteschlange hat einen Schalter, »Transmission Gate«, der entweder offen oder geschlossen sein kann. Bei der Auswahl des nächsten zu versendenden Datenpakets werden nur Warteschlangen mit offenen Transmission Gates berücksichtigt. Diese Konzepte sind im Substandard 802.1Qbv festgelegt. Daten-Frames mit geringer Priorität können auch während der Übertragung unterbrochen werden, um zeitkritischem Datenverkehr den Vorzug zu geben. Für die Garantie der Echtzeitfähigkeit ist das notwendig, führt in der Regel aber nicht zur optimalen Ausnutzung der Bandbreite oder zu einer minimalen Latenzzeit. Im Substandard 802.1Qbu sind Protokolle definiert, um für solche Fälle die Latenzzeit für den zeitunkritischen Datenverkehr möglichst gering zu halten (Frame Preemption).
Das TAS-Konzept ist auf einen robusten Mechanismus zur Generierung einer systemweiten, einheitlichen Zeit (Global Time) angewiesen. Das dafür vorgesehene Prinzip ist im Substandard 802.1ASrev festgeschrieben. Neben diesen genannten Standards gibt es noch weitere – einen Überblick liefert die Tabelle.