ControlTSN

Entwicklung eines modularen Managementframeworks für verteilte Echtzeit-Anwendungen auf Basis von TSN und OPC UA

Hintergrund

Die klassische Automatisierungspyramide kann technologisch betrachtet sowohl hinsichtlich der Kommunikation wie auch der Plattformen zweigeteilt werden: Auf den oberen Ebenen der Pyramide findet eine zunehmende Verschmelzung mit der Standard-IT statt und es kommen PC-Systeme und Ethernet-basierte Kommunikationsprotokolle zum Einsatz. Die unteren Ebenen zeichnen sich in erster Linie durch deterministische Echtzeitanforderungen aus. Plattformseitig werden neben speziellen Controllern zunehmend PC-Lösungen mit Echtzeitbetriebssystem genutzt, die Kommunikation ist geprägt von Feldbussen. Dabei sind die Systeme meist nach dem klassischen Master-Slave-Prinzip aufgebaut und werden durch ein proprietäres Engineering-Tool projektiert, konfiguriert und verwaltet.

Problemstellung

Viele Feldbusse basieren auf Ethernet, sind aber weder zu Standard-Ethernet noch untereinander kompatibel. Dies macht es für Komponentenhersteller aufwendig und teuer, Kompatibilität zu den verschiedenen Feldbussystemen zu gewährleisten, was insbesondere für KMU ein Problem darstellt und zu Abhängigkeiten von den großen Herstellern führt. Darüber hinaus stellt die nicht gegebene Durchgängigkeit in der Automatisierungspyramide zwischen den unteren und den oberen Ebenen ein signifikantes Problem für die Digitalisierung der Industrie dar und ist ein zentrales Hemmnis für Innovationen im Kontext von Industrie 4.0. Entscheidende Voraussetzung für konvergente Netze ist eine Kommunikationstechnologie, welche die Anforderungen von IT und Echtzeitsystemen erfüllt. Mit der laufenden Standardisierung von Time Sensitive Networking (TSN) durch die Arbeitsgruppe IEEE802.1 stehen die erforderlichen deterministischen Echtzeitfähigkeiten zukünftig auch mit Standard-Ethernet zur Verfügung. Einige der Substandards im Rahmen von TSN sind bereits finalisiert, andere befinden sich noch in der Spezifikationsphase, beispielsweise die Konfiguration der Netzwerkteilnehmer. TSN bietet daher ein erhebliches Einsparungspotential bei Kosten und Varianten. Waren bisher für jeden unterstützten Feldbus spezielle Hardware und Software notwendig, bietet TSN das Potential, zukünftig nur noch einen Standard auf der Transportebene einzusetzen. Erstmalig werden hierdurch auch konvergente Netze möglich, welche sich von Produktionsanlagen bis zur Office-IT erstrecken können. In Kombination mit OPC UA, welches ebenfalls stark an Bedeutung gewinnt, entsteht eine einheitliche Lösung bis zur Applikationsebene.

Zielsetzung/Ergebnisse

Das Projekt ControlTSN setzt die Open-Source Aktivitäten aus AccessTSN fort. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines innovativen und modularen Frameworks für die Konfiguration und Verwaltung der Kommunikation und der Applikationen zukünftiger TSN-basierter verteilter Echtzeitsysteme im industriellen Umfeld (Produktionsanlagen und Industrial-IT). Systeme, welche bisher mehrere separate Kommunikationsnetzwerke für unterschiedlichen Anwendungen benötigten und mittels verschiedener Werkzeuge konfiguriert wurden, können dann erstmalig mit konvergentem, standardisiertem Ethernet umgesetzt und über ein gemeinsames Werkzeug administriert werden. Die im Projekt ControlTSN angestrebte Lösung deckt dabei folgende Technologieaspekte ab:

TSN-Konfiguration:

  • Funktionen des Centralized User Controllers (CUC);
  • Verwaltung der applikationsspezifischen Datenverbindungen und ihrer deterministischen Eigenschaften (Latenz, Zyklus, Jitter);
  • Abstimmung und Allokation der notwendigen Netzwerkressourcen durch Koordination mit dem zentralen Netzwerkmanagement (CNC);
  • Konfiguration der Endpunkte

Überwachung und Diagnose:

  • Topologie- und Geräteerkennung;
  • Zustands- und Auslastungsüberwachung eines TSN-Netzwerks;
  • Hilfsmittel zur Fehlersuche/-behebung

Applikations-Deployment und -Konfiguration:

  • Konfiguration von Softwareanwendungen und deren Eigenschaften auf Endgeräten;
  • Festlegung der Kommunikationsbeziehungen und der Datenstrominhalte.

Auf Basis dieses Frameworks sollen zukünftig anwendungsspezifische Engineering-Tools entstehen, welche essentiell für eine erfolgreiche Nutzung von TSN sind.

Ihr Ansprechpartner

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Dipl.-Ing.

Florian Frick

Gruppenleiter „Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware“

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M.Sc.

Stefan Oechsle

Wissenschaftlicher Mitarbeiter "Echtzeitkommunikation und Steuerungshardware"

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