elektro AUTOMATION 03.2017
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EMBEDDED WORLD<br />
MESSE<br />
ters benötigt schnelle Zykluszeiten von weniger als 100 μs in räumlich<br />
kleinen Netzwerksegmenten. Eine Fertigungsstraße dagegen<br />
kommt mit Zykluszeiten im Millisekunden-Bereich aus, hat dafür jedoch<br />
auch eine größere Ausdehnung. Eine Prozess-Steuerung hat<br />
nochmals geringere Zeitanforderungen, dehnt sich dafür aber über<br />
große Entfernungen aus.<br />
Dazu gesellen sich kommerzielle Gesichtspunkte. Je weiter eine<br />
technische Lösung von verfügbaren Standards abweicht, desto größer<br />
sind die Kosten zu ihrer Entwicklung, Umsetzung und Pflege.<br />
Aus Kostengründen finden Weiterentwicklungen kaum statt. Ein offensichtliches<br />
Beispiel hierzu ist die Übertragungsgeschwindigkeit.<br />
Der Standard IEEE 802.3ab (1 Gb) wurde bereits 1999 verabschiedet.<br />
Derzeit arbeiten alle führenden Ethernet-basierten Automatisierungssysteme<br />
noch mit maximal 100 Mb. Die Erweiterung auf 1 Gb<br />
ist technisch möglich, erfordert allerdings die Überarbeitung der entsprechenden<br />
Spezifikationen und der Spezial-Hardware. Am unteren<br />
Ende der Skala könnte eine ähnliche Situation entstehen. Seit<br />
2016 untersucht die „IEEE 802.3 10 Mb/s Single Twisted Pair Ethernet<br />
Study Group“ die Machbarkeit eines neuen Standards für 10 Mb<br />
Full-Duplex-Übertragung über ein einzelnes Aderpaar. Distanzen von<br />
1 km und Phantomspeisung sind geplant. Diese Technik hat das Potential,<br />
die übliche 4-20-mA-Stromschleife abzulösen, ohne dass<br />
hierzu aufwändig die viele Kilometer lange Verkabelung ganzer Anlagenteile<br />
ausgetauscht werden müsste. Sollte dieser neue Übertragungsstandard<br />
einmal verfügbar werden, integriert er sich sofort<br />
nahtlos in TSN-basierte Netzwerke.<br />
Technische Merkmale von TSN<br />
TSN greift viele wegweisende Details bestehender Automatisierungslösungen<br />
auf und führt sie in einem allgemeinen IEEE-Standard<br />
zusammen. Wo nötig, sinnvoll ergänzt um neue Funktionen<br />
wie zum Beispiel Frame Preemption. Damit ermöglicht TSN eine<br />
Konvergenz der heutigen Insellösungen. Die wichtigsten derzeit<br />
umgesetzten Standards der TSN-Familie schließen bestehende<br />
AVB-Erweiterungen zum Ethernet Switching (IEEE 802.1Q) ein.<br />
• Stream Reservation plus Credit-based Shaper (802.1Q) (AVB):<br />
Definition von Datenströmen und deren maximaler Bandbreite,<br />
um die verfügbare Übertragungskapazität kontrolliert zwischen<br />
konkurrierenden Datenströmen aufzuteilen. Garantiert keine maximale<br />
zeitliche Verzögerung und nur indirekt eine minimale<br />
Bandbreite.<br />
• VLANs & Priority (802.1Q) (AVB): Logische Trennung sowie Priorisierung<br />
konkurrierender Datenströme, um die Belegung von<br />
Netzwerkressourcen aufzuteilen und hoch priorisierte Daten bevorzugt<br />
weiterzuleiten. Ermöglicht harte Echtzeit für einen einzelnen,<br />
höchst prioren Datenstrom.<br />
• Timing & Synchronization (IEEE 802.1AS): Zeitsynchronisation aller<br />
Netzteilnehmer im Bereich von Nanosekunden-Genauigkeit.<br />
Unverzichtbar für synchrone Endknoten und zeitgesteuerte Weiterleitung<br />
innerhalb der Switches.<br />
• Enhancements for Scheduled Traffic (IEEE 802.1Qbv): Garantierte<br />
deterministische Weiterleitung der Datenpakete innerhalb des<br />
Netzwerks durch Zuweisung fester, exklusiver Zeitschlitze.<br />
Schließt Beeinflussung durch anderen Netzwerkverkehr aus, die<br />
Daten durchlaufen das Netzwerk stets in dem vorgegebenen<br />
Zeitplan. Schutzintervall vor jedem Zeitschlitz lässt nur noch Pakete<br />
auf die Leitung, die innerhalb des vorherigen Zeitschlitzes<br />
komplett übertragen werden können.<br />
• Interspersing Express Traffic/Frame Preemption (IEEE 802.3br /<br />
IEEE 802.1Qbu): Unterbrechung von Datenpaketen auf der Leitung,<br />
um höher priorisierte Daten sofort senden zu können. Unterbrochene<br />
Datenpakete werden anschließend ab der Unterbrechungsstelle<br />
weiter gesendet.<br />
• Scheduled Traffic: Zeitnahe Weiterleitung priorisierter Daten. Mit<br />
Scheduled Traffic Vergrößerung der Bandbreite, da Schutzintervalle<br />
vor Zeitschlitzen deutlich kleiner ausfallen können. Sehr effektiv<br />
bei hoch performanten Systemen mit schmalen Zeitschlitzen.<br />
Die Verfügbarkeit kompatibler Hardware ist gewährleistet, da Halbleiterhersteller<br />
üblicherweise internationale Standards von allgemeinem<br />
Interesse sukzessive in ihre Produkte übernehmen.<br />
Der Weg<br />
Die heute verfügbare TSN-Technologie stellt nur einen ersten Teil<br />
der Verkehrsinfrastruktur bereit, über die Endanwendungen Informationen<br />
austauschen, sozusagen die (Daten-)Autobahnen. Doch<br />
es braucht mehr als die Straße, um ans Ziel zu gelangen: Fahrzeuge,<br />
Bild: Renesas<br />
TSN ermöglicht Konvergenz auf Schicht 2<br />
<strong>elektro</strong> <strong>AUTOMATION</strong> 03 2017 51
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