Sercos-TSN-Demonstrator erstmals auf der Hannover Messe

Der Sercos-TSN-Demonstrator wurde vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart mit Unterstützung von mehreren Industriepartnern realisiert. Er zeigt die Möglichkeiten auf, eine echtzeit- und multiprotokollfähige Netzwerkinfrastruktur auf Basis von TSN für die Automatisierungstechnik und darüber hinaus bereitzustellen.

Zum Einsatz kommt dabei ein TSN-basierter Sercos III SoftMaster mit einer Soft-CNC der Industriellen Steuerungstechnik GmbH (ISG), welcher über TSN-Switche der Firma Hirschmann Automation & Control GmbH mit Sercos-III-Servoantrieben der Firma Bosch Rexroth kommuniziert. Über dieselbe TSN-Netzwerkinfrastruktur werden parallel dazu Videostreams einer Webcam zu einem Remote-Display übertragen, ohne jedoch die Charakteristik und Funktionalität der Sercos-Echtzeit-Kommunikation zu beeinträchtigen.

Der Demonstrator stellt einen Proof of Concept dar, mit dem die native Echtzeitfähigkeit von Sercos innerhalb eines TSN-Netzwerks exemplarisch dargestellt wird. Der Ethernet-Standard IEEE 802.1 bringt einige Mechanismen mit sich, die eine offene, echtzeitfähige Kommunikation gewährleisten und auch hohe, zukünftige Datenraten unterstützen. Einen wesentlichen Aspekt hierbei stellt der Standard IEEE 802.1Q dar, der die Aufteilung physikalischer Netzwerke in mehrere logisch getrennte, priorisierte virtuelle Netze (VLANs) spezifiziert. Die VLAN-Prioritäten ermöglichen wiederum ein optimiertes Scheduling der Pakete aus allen virtuellen Netzwerken, wobei Übertragungssicherheit und deterministische Latenz erreicht werden kann. Um eine einheitliche Zeitbasis im gesamten Netz zu schaffen und die Traffic-Klassen in synchronen Zeitslots zu übertragen, wird auf Mechanismen aus IEEE 802.1-AS/IEEE 1588 (verteilte Uhrensynchronisation) und IEEE 802.1Qbv (Zeitmultiplexverfahren) zurückgegriffen.

Ziel bei der Gestaltung des Demonstrators war es, ein typisches Setup bestehend aus einer numerischen Steuerung sowie Antrieben um ein zwischengeschaltetes, echtzeitfähiges Netzwerk zu erweitern. Wesentlich hierbei war die Integration des Precision Time Protocol (PTP) nach IEEE 1588 in die Steuerung, sodass sämtliche Netzteilnehmer eine einheitliche Zeitbasis verwenden. Bei der Untersuchung des Echtzeitverhaltens konnte gezeigt werden, dass sich die Fehler in der Zeitsynchronisation auf einen zweistelligen Nanosekundenbereich beschränken.

Neben dem Sercos TSN Demonstrator zeigt die Nutzerorganisation auch den Sercos SoftMaster. Mit einer offenen Kommunikationsanbindung „nach oben“ und „nach unten“ punktet diese Demo. Sie basiert auf einem Sercos-III-SoftMaster-Core, der in Kooperation mit Bosch Rexroth entwickelt wurde und als Open Source Software zur Verfügung gestellt wird.  Dank des Sercos III SoftMaster kann auf einen spezifischen Sercos-III-Masterbaustein in Form eines FPGAs oder ASICs verzichtet werden. Stattdessen kommt ein Standard-Ethernet-Controller zum Einsatz und die Sercos-III-Hardware-Funktionen werden in einer host-basierten Treibersoftware emuliert. Mit diesem Implementierungsansatz wird für eine große Zahl an Applikationen ein ausreichendes Echtzeitverhalten sichergestellt. Kommt ein Ethernet-Controller mit mehreren Queues und Telegramm Scheduling (wie z.B. der Intel I210™) zum Einsatz, können sogar Synchronitäten und höchste Verfügbarkeiten im Bereich eines hardware-basierten Masters erzielt werden.

Maschinenbauer und Steuerungshersteller können mit dem Sercos SoftMaster, gegenüber der bisher eingesetzten Lösung mit dem hardware-basierten Sercos Master, nun einen Industrie-PC ohne spezielle Feldbus-Hardware und ohne PCI-Slots zur Steuerung der Maschine verwenden. Durch den Einsatz des Sercos SoftMaster in Verbindung mit dem leistungsfähigem Intel I210 wird die  CPU-Last bei gleichzeitiger Einsparung von Kosten und Bauraum deutlich reduziert. Der Sercos SoftMaster ist als Open-Source-Software-Lizenz für die allgemeine Nutzung im Softwarepool von Sercos International e.V. verfügbar. 

Mit der Bereitstellung einer Sercos III SoftMaster-Implementierung als Open Source wird es für Hersteller sehr viel einfacher, einen Sercos III Master zu entwickeln und gleichzeitig an zukünftigen Verbesserungen und Erweiterungen der Software zu partizipieren. Steuerungssysteme können damit künftig einfacher, kompakter und günstiger gestaltet werden.

Neben der Sercos SoftMaster Demo werden  weitere Demos sowie eine Vielzahl an Exponaten, die einen Querschnitt der rund 250 Sercos-fähigen Produkte bilden, auf dem Gemeinschaftsstand der Nutzerorganisation gezeigt.

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Über Ethernet TSN

Ethernet TSN umfasst eine Reihe von IEEE-802-Substandards, die von der IEEE-TSN-Arbeitsgruppe erarbeitet werden und voraussichtlich bis 2017 verabschiedet sein werden. Die neuen Standards beinhalten unter anderem eine zeitgesteuerte Datenübertragung (IEEE 802.1Qbv Scheduling), eine Bandbreitenreservierung (IEEE 802.1Qcc Stream Reservation), sowie Maßnahmen zur Unterbrechung zeitunkritischer Datenströme (IEEE 802.1Qbu Frame Preemption). Damit wird eine vollständig deterministische Kommunikation innerhalb der IEEE-802-Standards möglich. Gleichzeitig können unterschiedlichste Protokolle (Streams) über ein gemeinsames Medium übertragen werden, ohne die Echtzeit-Charakteristik des Netzwerks zu beeinträchtigen.