Kommunikations-Standard: Ist TSN mit OPC UA das Real-time Ethernet der Zukunft?

Prof. Hans Weibel

Inhalt
Die Industrie hat eine unüberschaubare Anzahl inkompatibler „Echtzeit“-Ethernet-Varianten hervorgebracht. In den Arbeitskreisen IEEE 802.1 und 802.3, den Gremien, die Ethernet spezifizieren und weiterentwickeln, ist vor einigen Jahren die Task Group „Time Sensitive Networking“ (TSN) aktiv geworden. Ihr Ziel ist, Ethernet mit geeigneten Mechanismen so zu erweitern, dass ein deterministischer Betrieb möglich ist. Die Arbeiten sind als Fortsetzung von Audio/Video Bridging (AVB) zu sehen, wobei das Anwendungsfeld breiter ausgelegt ist. Die Lösung setzt sich aus folgenden Bausteinen zusammen:

• Präzise zeitliche Synchronisation aller beteiligten Knoten: Dies ist eine Voraussetzung, um zeitgesteuerte Verfahren wie etwa „time-aware Scheduling“ zu ermöglichen.
• Reservation von Ressourcen für den zeitkritischen Verkehrsanteil: So kann die Latenz garantiert und Frame-Verlust infolge Überlastung verhindert werden.
• Verwendung des kürzesten Pfades innerhalb einer vermaschten Topologie: Das bedeutet Abkehr vom Spanning Tree und Nutzung aller installierten Ressourcen.
• Scheduling- und Shaping-Mechanismen in den Bridges: Dies reduziert die Laufzeit und die Laufzeitvariation.
• Frame Preemption: Die Weiterleitung langer Frames kann bei Bedarf unterbrochen werden, um zeitkritischen Frames den Weg freizumachen.
• Pfadredundanz: Das auf mehreren Übertragungspfaden beruhende Redundanzverfahren arbeitet verlustlos.

Die genannten Funktionen sind Optionen, die bedarfsgerecht kombiniert werden können.

Neben der Bitübertragungs- und Sicherungsschicht sind natürlich auch die höheren Protokollschichten von Bedeutung. Im Zusammenhang mit der Anwendung von TSN im Kontext von Industrie 4.0 gilt OPC UA (Open Platform Communication – Unified Architecture) als aussichtsreicher Kandidat.

Der Vortrag erklärt die wesentlichen Mechanismen von TSN und wie sie zusammenhängen, sowie die Rolle von OPC UA.

Hier finden Sie den Vortrag als PDF-Download.

Werdegang
Prof. Hans Weibel ist seit 1999 Dozent für Kommunikationstechnik an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Winterthur. Am Institute of Embedded Systems (InES) betreut er F&E-Projekte im Bereich industrielle Kommunikation, mit Fokus auf Erweiterungen von Ethernet in Richtung Determinismus, Zeitsynchronisation Hochverfügbarkeit und insbesondere auch auf TSN. Er ist Vice Chair der IEEE 1588 Working Group, Mitglied der IEEE 802.1 Working Group und des IEC Technical Committee 65.

Kontakt: Technikumstrasse 9, CH-8401 Winterthur, hans.weibel@zhaw.ch