Qualifizierung
Mit Testwerkzeugen schneller zu TSN-fähigen Geräten
Quelloffene Testwerkzeuge für Geräte- und IC-Hersteller bieten zahlreiche Chancen und Möglichkeiten, das Potenzial von Realtime-Linux und TSN zu heben. Eine breite Akzeptanz dieser Testwerkzeuge wird den Einsatz von TSN in Geräten fördern und Anwendern die Technik schneller zur Verfügung stellen.
Das Betriebssystem Linux – insbesondere mit der Echtzeiterweiterung PREEMPT-RT – wird bereits in vielen Automatisierungsgeräten eingesetzt und erhält weiterhin großen Zuspruch. Die neusten Linux-Versionen umfassen inzwischen Mechanismen für TSN. Die offene PLCnext Technology von Phoenix Contact basiert auf RT-Linux und wird TSN auf einer geeigneten Elektronik unterstützen (Bild 1).
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Nun stellt sich die Frage, ob und wie diese Elektronik unter Linux einheitlich getestet werden kann, um eine einfache Integration in Automatisierungssysteme – zum Beispiel die PLCnext-Steuerungen – zu ermöglichen (Bild 2).
Jedes Linux-basierte Automatisierungsgerät setzt sich dabei im Wesentlichen aus den folgenden Bestandteilen zusammen:
- Elektronik: Zur Elektronik zählen der Prozessor (CPU), die TSN-fähige Netzwerkschnittstelle (MAC) und der Ethernet- Leitungstreiber (PHY). Die Verantwortung für die Elektronik trägt der jeweilige Halbleiterhersteller.
- Kernel: Im Kernel des Geräts wird die Linux-Kernfunktion ausgeführt. Sie bildet die Grundlage für das einheitliche und deterministische Verhalten aller unter Linux laufenden Anwendungen. Der Zugriff auf die Ethernet-Schnittstelle ist ebenfalls im Kernel realisiert. Dieser spezielle Teil des Kernels wird als Netzwerktreiber bezeichnet.
- Netzwerkschnittstellen: Dieser Bereich stellt die Funktionen der Ethernet-TSN-Schaltung für die darüberliegenden Anwendungen zur Verfügung.
- Industrial Middleware: Es gibt industrielle Übertragungsprotokolle, die mit und ohne TSN genutzt werden können. Als Beispiel seien Profinet und OPC UA genannt. Im Konzept des »konvergenten Netzwerks« lassen sich diese Middlewares auch zeitgleich in einem Netzwerk verwenden.
- Applikation: Unter diesem Begriff ist die entsprechende Automatisierungsanwendung zu verstehen. Auf einer Steuerung kann das beispielsweise das Programm einer Abfüll- oder Montageanlage sein. Bei einem Automatisierungsgerät handelt es sich zum Beispiel um die Ansteuerung von digitalen und analogen Prozesssignalen. Die Kommunikation der Steuerungsapplikation mit den Automatisierungs-geräten findet über die jeweilige Middleware und das TSN-Netzwerk statt.
- Synchronisation: Eine wesentliche Eigenschaft von TSN ergibt sich aus der Option zur genauen Synchronisation von Applikationen. Das Akronym »Time Sensitive Networking« leitet sich aus dieser Eigenschaft ab. Die Synchronisation erlaubt es, dass verteilte Applikationen auf Steuerungen und Automatisierungsgeräten im Gleichtakt laufen. Die Fähigkeit zur Synchronisation ist schon in Linux integriert. Die TSN-fähige Elektronik muss allerdings die dazu notwendigen Mechanismen unterstützen. Die erreichbare Genauigkeit hängt von der entsprechenden Implementierung ab, kann aber deutlich besser als 1 µs sein.
Mittlerweile beinhalten die neusten Kernel-Versionen den Einsatz von Ethernet-TSN-Mechanismen in RT-Linux. Das hat erhebliche Vorteile für die Gerätehersteller, die ohne spezielle Hard- oder Software ein neutrales TSN-System entwickeln können. Mit der im Folgenden vorgestellten Testumgebung lassen sich diese Implementierungen qualifizieren, sodass eine einfache und robuste Nutzung von TSN in Linux-basierten Geräten sowie für jeden Hersteller möglich ist. Das leistet einen wesentlichen Beitrag zur Verbreitung von Time Sensitive Networks (Bild 3).
Unabhängige Qualifizierung der Elektronik und Treiber der IC-Hersteller
Wie aus Bild 3 ersichtlich, liegt die Verantwortung für die TSN-Implementierung unter Linux nicht mehr bei den Geräteherstellern – wie z. B. Phoenix Contact –, sondern bei den IC-Herstellern. Damit sind die Leistungsfähigkeit und Qualität eines Automatisierungsgeräts nur so gut, wie die zugrundeliegende TSN-Elektronik und -Software. Dieser Sachverhalt führt heute dazu, dass die Gerätehersteller ihre eigenen Netzwerktreiber schreiben, um für die geforderte Qualität zu sorgen. Zum Teil erweist sich die Elektronik ebenfalls als spezifisch und wird beispielsweise in FPGAs umgesetzt. Solche herstellerspezifischen Schaltungen sind kostspielig und erschweren den Wechsel der zugrundeliegenden Elektronik im Lebenszyklus eines Produkts. Daher besteht aus Sicht der Gerätehersteller ein hohes Interesse daran, die Elektronik und Treiber der IC-Hersteller unabhängig zu qualifizieren, bevor Geräte entwickelt und eine Schaltung sowie Applikation aufgesetzt werden. Gleiches gilt für die IC-Hersteller, die ihre TSN-Bausteine ohne konkrete Automatisierungsanwendungen testen möchten.
Da inzwischen sämtliche erforderlichen TSN-Basisfunktionen in Linux eingebunden sind, ergab sich der Wunsch nach einer unabhängigen Testumgebung für TSN. Vor diesem Hintergrund hat Phoenix Contact gemeinsam mit Intel entsprechende Testwerkzeuge erarbeitet und auf verbreiteten TSN-fähigen Netzwerk-ICs erprobt. Zukünftig werden diese Testwerkzeuge in einer geeigneten Organisation allen Interessierten als Open-Source-Tools zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise können IC- und Gerätehersteller ihre jeweiligen TSN-Produkte qualifizieren. Darüber hinaus lassen sich die Testwerkzeuge zum Vergleich von unterschiedlichen Produkten oder zur Einarbeitung in das Thema TSN bei Kunden oder Forschungseinrichtungen verwenden.
- Mit Testwerkzeugen schneller zu TSN-fähigen Geräten
- Entwicklungsbegleitende Prüfung der korrekten Arbeitsweise der Werkzeuge
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