18.11.2020

Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0 und IIoT

Der Weg zum Time Sensitive Networking

Die umfassende Vernetzung von allem mit allen stellt die Grundlage für viele Zukunftsszenarien wie Industrie 4.0 oder dem sogenannten industriellen Internet der Dinge dar. Damit dies gelingt, müssen die heute getrennten Bereiche der Automatisierungs- und Informationstechnik noch besser integriert werden. Dabei nehmen die Standards des Time Sensitive Networkings (TSN) eine Schlüsselrolle ein. Es ist also Zeit für eine Übersicht.


Bild: Josep.Ng@shutterstock.com

Bei einem Blick in die aktuellen Automatisierungsarchitekturen sind auf der Feldebene weiterhin die klassischen Bussysteme - z.B. Profibus oder CANopen - zu finden. Diese Systeme und deren Einsatz erweisen sich derzeit als Schlüsseldisziplin der Automatisierungstechnik (Operational Technology, OT). Eine zusätzlich notwendige TCP/IP-Kommunikation - etwa mit der Leitebene - oder die Bildübertragung via Webcams findet über getrennte Ethernet-basierte Netzwerke (Information Technology, IT) statt. Eine solche Aufspaltung führt dazu, dass Anwender beide Fachgebiete beherrschen müssen, was eine entsprechende Komplexität und erforderliche Qualifikation nach sich zieht.

Einsatz für alle IT- und echtzeitkritischen Applikationen

Ein großer Vorteil von Ethernet liegt jedoch in der markt- und applikationsübergreifenden Standardisierung durch die zuständige Organisation IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und hier das Projekt IEEE802. Die Standardisierung sorgt für eine breite, kostengünstige und interoperable Verfügbarkeit von Ethernet-Basistechnologien und -Bausteinen. Von diesen Vorzügen profitieren auf Ethernet beruhende Systeme wie z.B. Profinet RT oder Modbus/TCP, denn jedes IEEE802-konforme Endgerät und jeder Switch kann für den Datenaustausch verwendet werden. Bei den Aktivitäten der IEEE802 stand die Nutzung von Ethernet in Applikationen mit harten Echtzeitanforderungen - z.B. Motion Control - bislang allerdings nicht im Fokus. Daher gibt es für derartige Anwendungsszenarien heute spezielle Ausprägungen - etwa Profinet IRT -, die nicht durch die IEEE802 standardisiert sind, teilweise nur eine Datenrate von 100MBit/s unterstützen sowie besondere Gerätehardware bedingen. Diese Situation kann sich mit TSN ändern. Durch ein entsprechendes Bündel von Mechanismen, die von der IEEE802 standardisiert sind, wird Ethernet echtzeitfähig und ermöglicht höhere Bandbreiten als 100MBit/s bei gleichzeitiger Nutzung des Netzwerks für IT- und Automatisierungsanwendungen. Damit lässt sich das Netzwerk für sämtliche IT- und echtzeitkritischen Applikationen einsetzen. Diese Eigenschaft wird als Konvergenz bezeichnet und bietet darüber hinaus eine Reihe weiterer Vorteile. Für Anwender und Applikationen zählen dazu Bandbreiten von 1GBit/s und mehr, Übertragungsgarantien, stoßfreie Medienredundanz, die Verwendung von Standard-Switches, kurze Zykluszeiten sowie perspektivisch vergleichbare Gerätekosten. Hersteller profitieren von der Nutzung von Standard-Chips in Steuerungen, Switches und Feldgeräten sowie einer Produkthardware für alle TSN-Einsatzszenarien. Als wesentlich zeigt sich, dass sich die TSN-Standards auf die unteren Schichten von Ethernet beziehen. Die Anwendersicht ist weitgehend unabhängig und kann für vorhandene Standards - beispielsweise Profinet - bestehen bleiben.

Profilierung von TSN-Standards für die OT-Nutzung

Eine wichtige und notwendige Eigenschaft der heutigen Feldbussysteme ist ihre herstellerübergreifende Interoperabilität. Automatisierungsexperten sind es gewohnt, Geräte unterschiedlicher Hersteller in einer Maschine oder Anlage zu einer funktionierenden Lösung zu kombinieren. Diese Interoperabilität wird durch die großen Feldbusorganisationen über spezifische Maßnahmen - z.B. Zertifizierungen - sichergestellt. Die konvergente Verwendung eines TSN-Netzwerks kann nur erfolgreich sein, wenn sie auch eine vergleichbare Interoperabilität zur Verfügung stellt. Dazu bedarf es einer herstellerübergreifenden Festlegung, welche Mechanismen aus dem TSN-Bündel wie genutzt werden sollen. Die IEEE802 trifft hier keine Bestimmungen, um den branchenübergreifenden Einsatz von Ethernet zu garantieren. Deshalb haben sich die für die Feldbussysteme verantwortliche Organisation IEC und die IEEE802 als für Ethernet zuständiger Verband zusammengetan und die gemeinsame Aktivität IEC/IEEE802 60802 gegründet. Die Kooperation zielt auf die Profilierung von TSN-Standards zur Verwendung in Automatisierungsapplikationen ab. Daher wird die Aktivität ebenfalls als Industrial Automation Profile (IAP) bezeichnet, das Anwendungen wie im Bild oben dargestellt ermöglicht.

Rolle der Feldbusorganisationen

Werden die bekannten Feldbusorganisationen - beispielsweise Profibus & Profinet International (PI) - mit der Einführung von TSN überflüssig? Diese Frage lässt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt eindeutig mit Nein beantworten. Die Aufgaben, die aktuell von diesen Organisationen wahrgenommen werden, müssen ebenso bei der Nutzung von TSN gelöst sein, damit eine vergleichbare Interoperabilität gegeben ist. Ferner erwarten die Anwender beim Einsatz von TSN in Ethernet-Netzwerken eine mindestens vergleichbare Benutzerfreundlichkeit. Deshalb ist z.B. auch Profinet seit der Spezifikation 2.4 für die Verwendung auf TSN freigegeben. Auf diese Weise profitieren Anwender von den Vorteilen von TSN, ohne die gewohnte Sicht ändern zu müssen. Aber nicht nur Profinet ist für TSN spezifiziert. Die OPC Foundation arbeitet ebenfalls daran, über die sogenannten Field Level Communication Initiative (FLC) TSN-Standards für die Automatisierung zu beschreiben. In diesem Kontext sollte vermieden werden, dass ein weiteres proprietäres Feldbussystem für TSN entsteht, das andere Systeme nicht berücksichtigt. Ziel ist vielmehr die konvergente Nutzung eines Netzwerks, etwa für OPC UA, Profinet und sonstige Protokolle. Zur Umsetzung dieser Absicht erweist sich das vorher vorgestellte Industrial Automation Profile (IAP) IEC/IEEE 60802 als elementar.

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Vom Standard zur Lösung

Das Bild oben stellt den grundlegenden Ablauf des IEEE802-Standards bis zur funktionierenden Lösung beim Anwender dar und gibt eine Einordnung hinsichtlich des derzeitigen Stands bei TSN. Da sich die TSN-Mechanismen auch auf die Ethernet-Hardware auswirken, sind neue Produkte oder neue Versionen der Produkte mit entsprechenden Ethernet-Bausteinen erforderlich. Das gilt insbesondere dann, wenn der Anwender ebenso einen Vorteil aus höheren Bandbreiten - wie 1GBit/s - ziehen möchte. Diese Bandbreiten werden in einem konvergenten IT- und OT-Netzwerk benötigt, weil es z.B. Video-Datenströme verlangen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass ein vergleichbarer Status bei den heute eingesetzten Ethernet-basierten Feldbussystemen vor rund 15 Jahren erreicht war, die Feldbusse diese Entwicklung also schon hinter sich haben. Auch mit Systemen wie Profinet RT ist die Konvergenz von IT und OT aktuell bereits möglich und reicht für viele Anwendungen in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung aus, abgesehen von High-End-Motion-Control-Applikationen. Es ist daher davon auszugehen, dass die breite Verwendung von TSN in realen Lösungen noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird. Der Nutzen eines konvergenten Netzwerks ist jedoch sowohl für Gerätehersteller ebenso wie Anwender hoch, denn es handelt sich um einen wichtigen Wegbereiter für das Industrielle Internet der Dinge (IIoT).

Aktive Mitarbeit an allen neuen Kommunikationstechnologien

In puncto TSN arbeitet Phoenix Contact aktiv an sämtlichen relevanten Standardisierungsaktivitäten mit. Zeitgleich befinden sich bereits TSN-fähige Plattformen und Produkte in der Entwicklung. Dabei zielt das Unternehmen darauf ab, die bestehenden Profinet-Lösungen durch TSN-Standards aufzuwerten und in diesem Zusammenhang die Konvergenz zu OPC UA mit TSN gemäß IEC/IEEE60802 zu berücksichtigen. Das ermöglicht einen fließenden und bedarfsgerechten Übergang von der heutigen OT-zentrierten Sichtweise hin zu konvergenten IT- und OT-Netzwerken mit erweiterten Fähigkeiten und Eigenschaften. In diesem Kontext werden auch die Einflüsse weiterer neuer Technologien wie Single-Pair Ethernet (SPE), 5G und Security in die Überlegungen einbezogen. Damit steht Phoenix Contact für zukunftsgerechte Produkte und Lösungen.

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