Time Sensitive Networking – neuer Superheld für die Automatisierung?

Autor / Redakteur: Sariana Kunze / Michael Eckstein

Nachgefragt: Times Sensitive Networking (TSN) gilt als Zukunftstechnologie für die Industriekommunikation. Als schneller, echtzeitfähiger Ethernet-Standard könnte es etablierte Feldbusse obsolet machen. Hier sagen drei Experten, was sie davon halten.

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Schnell wie der Blitz: In der OPC-UA-TSN-Initiative arbeiten Automatisierungshersteller an einem schnellen und echtzeitfähigen Superhelden für die Produktion.
Schnell wie der Blitz: In der OPC-UA-TSN-Initiative arbeiten Automatisierungshersteller an einem schnellen und echtzeitfähigen Superhelden für die Produktion.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Auf der SPS IPC Drives gaben ABB, Bosch Rexroth, B&R, Cisco, General Electric, National Instruments, Kuka, Parker Hannifin, Schneider Electric, SEW-Eurodrive und TTTech bekannt, dass sie OPC UA over TSN als die Standard-Kommunikationslösung zwischen industriellen Steuerungen und der Cloud vorantreiben wollen. Wir haben Vertreter dreier Gründungsmitglieder gefragt, was sich bis jetzt bei der Standardisierung getan hat, welche Produkt-Prototypen es gibt ob TSN das Zeug hat, klassische Feldbusse langfristig zu ersetzen.

Was haben Sie als Gründungsmitglied der OPC-UA-TSN-Initiative bis jetzt erreicht?

Rahman Jamal ist Global Technology & Marketing Director bei National Instruments (NI).
Rahman Jamal ist Global Technology & Marketing Director bei National Instruments (NI).
(Bild: NI)

Rahman Jamal: Wir haben schon einiges erreicht: Erste Prototypen sind bereits in ein Testbed des IIC integriert worden. Dieses soll demonstrieren, dass es mit OPC UA TSN möglich ist, die Kommunikation zwischen Steuerungen unterschiedlicher Hersteller über eine gängige IT-Infrastruktur zu gewährleisten.

Es handelt sich hierbei um eine frühe Implementierung von TSN. Sie zeigt die Vorteile dieser Technologie auf, aber auch die Herausforderungen bei der Implementierung durch unterschiedliche Unternehmen. Dies soll Standardisierungsgremien die positiven wie negativen Aspekte vor Augen führen. Etwa, wo der Einsatz von TSN reibungslos verläuft und wo noch an Stellschrauben gedreht werden muss.

Dabei stehen verschiedene Gesichtspunkte im Fokus. So sollen beispielsweise die Echtzeitfähigkeit und die herstellerübergreifende Interoperabilität eines konvergenten Ethernet-Standards nachgewiesen werden. Auch wird der Sicherheitsaspekt von TSN genauer unter die Lupe genommen. Außerdem lässt sich untersuchen, ob sich Hochleistungsanwendungen und solche, bei denen die Latenz eine kritische Rolle spielt, in das IIoT integrieren lassen.

Das Update, das der Ethernet-Standard durch TSN erfährt, wird viele Vorteile mit sich bringen. So wird TSN eine gemeinsame Zeitbasis im gesamten Netzwerk erlauben, wodurch sich die Synchronisierung innerhalb eines verteilten Systems viel einfacher gestaltet. Außerdem werden zeitkritische Daten, wie Steuerungs- und Regelungsdaten, priorisiert behandelt und über das Netzwerk verschickt – über dasselbe Kabel wie Standarddaten.


Mittlerweile gibt es zwei physikalische Ausführungen des Testbeds. Eine befindet sich im NI IoT Lab an unserem Hauptsitz in Austin befindet, die andere bei Bosch in Deutschland. NI hat den Vorsitz der Arbeitsgruppe, die den Standard für OPC UA over TSN entwickelt. Vor einem Jahr haben wir diese Initiative zu TSN OPC UA auf der SPS IPC Drives angestoßen. Wie weit wir damit fortgeschritten sind, erfahren Sie auf der diesjährigen SPS IPC Drives.

Sebastian Sachse ist Technology Manager Open Automation bei B&R.
Sebastian Sachse ist Technology Manager Open Automation bei B&R.
(Bild: B&R)

Sebastian Sachse: Bevor diese Initiative gestartet wurde, war OPC UA bereits unaufhaltsam auf dem Vormarsch. OPC UA ist seit Jahren in vielen Produkten implementiert und in zahlreichen Anwendungen im Einsatz. Dort, wo eine zeitliche Exaktheit notwendig ist, stieß OPC UA jedoch an seine Grenzen. Also sind die ersten Ideen aufgetaucht, OPC UA mit einem echtzeitfähigen Ethernet zu kombinieren, um ein deterministisches Verhalten zu erreichen.

So richtig Fahrt hat das Thema aufgenommen, als sich mehrere große Automatisierungshersteller an einen Tisch gesetzt haben, um das Thema gemeinsam voranzubringen. Das ist ein Novum in der Branche: Die Teilnehmer wollen gemeinsam einen einheitlichen Standard entwickeln und umsetzen. Für den Kunden zeichnet sich damit ein großer Schritt ab: Eine interoperable Kommunikationslösung, die von allen Herstellern unterstützt wird und dadurch eine uneingeschränkte Produktauswahl ermöglicht.

Unter dem Dach des Industrial Internet Consortiums, kurz: IIC, hat die OPC-UA-TSN-Initiative in der kurzen Zeit bereits große Fortschritte gemacht. Von der theoretischen Spezifikationsarbeit sind wir mittlerweile bei mehreren praktischen Testbeds angelangt, in denen Prototypen zahlreicher Unternehmen aus Automatisierung und IT in einem gemeinsamen OPC-UA-TSN-Netzwerk getestet und optimiert werden. Die schnell wachsende Zahl der teilnehmenden Unternehmen zeigt, wie wichtig das Thema für die Branche ist.

Dr. Hans Krattenmacher ist Leiter Entwicklung Elektronik bei SEW-Eurodrive.
Dr. Hans Krattenmacher ist Leiter Entwicklung Elektronik bei SEW-Eurodrive.
(Bild: SEW-Eurodrive)

Dr. Hans Krattenmacher: OPC UA hat sich bereits vor der TSN-Initiative in vielen Produkten und Anwendungen etabliert. Applikationen, die höhere zeitliche Anforderungen an die Kommunikation zwischen Steuerungen stellen, stoßen mit OPC UA in nicht echtzeitfähigen Ethernet-Netzwerken an ihre Grenzen. Daher ist es naheliegend, OPC UA mit einem echtzeitfähigen, möglichst deterministischen Industrial Ethernet zu kombinieren.

Wir haben mit der OPC-UA-TSN-Initiative die Grundvoraussetzungen für das Industrial Internet of Things und Industrie 4.0 geschaffen. Neben der detaillierten Spezifikationsarbeit und konsequenter Spiegelung an den Anforderungen der Automatisierungstechnik konnten mittlerweile zahlreiche praktische Erfahrungen in diversen parallel laufenden Testbeds gesammelt werden.

Originalveröffentlichung auf unserem Schwesterportal Elektrotechnik am 23.10.2017.

Sie haben erste Prototypen für die kommenden Generationen Ihrer Produkte angekündigt. Welche Produkte sind das und wie ist der aktuelle Entwicklungsstand?

Rahman Jamal: Unsere ersten, im letzten Jahr vorgestellten TSN-fähigen Produkte sind die Compact-Rio-Controller, die bereits im erwähnten IIC-TSN-Testbed integriert sind. Sie sind zudem Teil der Early Access Technology Platform für TSN, die die Entwicklung neuer Synchronisations- und Kommunikationstechnologien vorantreiben soll.

Die Plattform ist in Zusammenarbeit mit Cisco und Intel entstanden. Anwender sind damit in der Lage, Steuer-, Regel- und Messanwendungen über Standard-Ethernet-Verbindungen deterministisch und zeitsynchronisiert auf verteilten Systemen auszuführen. Die Technologie ist bereits im Einsatz: Das Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen nutzt sie zum Entwickeln von CNC-Maschinen der nächsten Generation. EUV Tech erstellt mit ihrer Hilfe neuartige Halbleiterfertigungsmaschinen. Und das Oak Ridge National Laboratory verwendet sie für Forschungen rund um das Stromnetz der Zukunft.

Die in der Plattform eingesetzten Controller arbeiten mit Atom-Prozessoren und einem TSN-fähigen I210-Netzwerkanschluss von Intel. Sie stellen eine schnelle und gleichzeitig energiesparende, kostengünstige Lösung bereit. Ebenso haben wir kürzlich zwei TSN-fähige Compact-DAQ-Chassis vorgestellt. cDAQ-9185 und cDAQ-9189 mit vier beziehungsweise acht Steckplätzen unterstützen eine deterministische Synchronisierung über aktuelle Ethernet-Standards und verbinden so TSN mit robuster Compact-DAQ-Hardware für verteilte Messungen. Durch die Zeitsynchronisierung über TSN lassen sich verteilte Systeme einfacher skalieren.

Sebastian Sachse: Der erste Schritt ist die einheitliche und zeitgenaue Vernetzung auf Steuerungsebene. Daher sind wir im Testbed derzeit auch mit einer Steuerung vertreten. Dazu kommt demnächst ein Bus-Controller, also ein I/O-Knoten, der unabhängig von einer Steuerung OPC UA TSN sprechen wird.

Als Serienprodukt haben wir mittlerweile einen Bus-Controller, der als OPC-UA-Server fungieren kann. Wir ermöglichen also eine direkte Anbindung von I/Os an beliebige OPC-UA-Client-Geräte. Das ist der erste Schritt auf dem Weg zu einer komplett horizontal vernetzten Produktion. Wie die nächsten Schritte aussehen werden, erfahren Sie auf der SPS IPC Drives 2017.

Dr. Hans Krattenmacher: Mit den vier Bausteinen Engineering-Software, Steuerungstechnik, Umrichtertechnik und Antriebstechnik hat SEW-Eurodrive erstmalig auf der SPS IPC Drives 2016 den vollumfänglichen Automatisierungsbaukasten Movi-C vorgestellt. Dieser bietet die Basis für zukünftige Automatisierungslösungen sowohl in klassischer Automatisierungsstruktur als auch für innovativere Lösungen mit Cyber-Physical-Systems-basierter Automation.

SEW-Eurodrive hat in seiner Schaufensterfabrik in Graben-Neudorf bei Bruchsal die Fabrik 4.0 bereits Realität werden lassen. Der Weg in die Industrie 4.0 wird von uns als ein evolutionärer Prozess betrachtet. Um die reibungslose Kommunikation in der digitalen Welt zu gewährleisten, müssen alle Beteiligten dieselbe Sprache sprechen. Auch von uns erfahren Sie bald mehr auf den nächsten Industrie- und Branchen-Messen.

Wird OPC UA TSN die klassischen Feldbusse ersetzen? Reicht TSN künftig alleine aus?

Rahman Jamal: Das Thema Feldbusse taucht bei Diskussionen um TSN immer wieder auf, denn grundsätzlich hätte dieser neue Standard das Potenzial, klassische Feldbusse nach und nach zu verdrängen. Viele Anwender hinterfragen, welche Aufgaben und Funktionen denn nun künftig den Industrial-Ethernet-Systemen zufallen und für welche wiederum die Feldbusse zuständig wären. Dies hat jedoch weniger mit der Technik selbst zu tun, sondern hängt eher von der Akzeptanz auf dem Markt ab.

Prinzipiell ist TSN jedoch in der Lage, sowohl anspruchsvolle hochperformante Anwendungen als auch gängige kostengünstige Applikationen abzudecken. Mit anderen Worten: TSN ist die erfolgreiche Konvergenz von zeitkritischen, nicht zeitkritischen und Daten-Streaminganwendungen über ein einziges Netzwerk.

Es ist davon auszugehen, dass TSN als erstes in der Controller-Controller-Kommunikation genutzt wird. Die derzeitige Konfiguration kann aber auch Feldbusse ersetzen. Langfristig wird TSN bis hinunter in die Feldebene gehen.

Sebastian Sachse: Feldbusse sind in bestehenden Installationen und Produkten weit verbreitet. Auch wenn OPC UA TSN vielversprechend und zukunftsträchtig ist, wäre es falsch zu sagen, dass OPC UA TSN die klassischen Feldbusse von heute auf morgen ersetzt. Jedoch können wir schon heute sagen, dass es eine große Anzahl an Anwendungsfällen geben wird, in denen es Überschneidungen geben wird.

Wenn wir uns etwa die Controller-Controller-Kommunikation ansehen, so macht dort ein einheitlicher Standard basierend auf OPC UA bereits heute Sinn. Wenn OPC UA TSN etabliert ist, gilt das auch für die zeitkritische Kommunikation auf dieser Ebene. TSN alleine hat für die Industrie wenig Nutzen. Der Mehrwert entsteht durch die Kombination von OPC UA mit der Erweiterung Pub/Sub und TSN.

Sobald sich diese Technologie etabliert hat, lassen sich damit nahezu alle Anwendungen abdecken. Übrigens wird OPC UA TSN auch die Bandbreitenengpässe bestehender Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme lösen. Da TSN nichts anderes als eine Erweiterung des bestehenden Ethernet-Standards ist, sind alle Ethernet-Bandbreiten bis hin zu mehreren GBit/s nutzbar.

Dr. Hans Krattenmacher: Betrachten wir die reine TSN-Technologie für die Feldebene, ergibt sich durch die höhere Bandbreite bis hin zu mehreren GBit/s für nahezu alle Industrial Ethernet Systeme die Möglichkeit, heutige Bandbreitenengpässe zu überwinden.

Da es sich bei TSN um eine Erweiterung des bestehenden Ethernet-Standards handelt, wird einfach der Ethernet-Layer im Kommunikationsmodell angepasst. Alle darauf aufbauenden Software-Schichten und die dafür getätigten Investitionen sowohl auf Hersteller- als auch Anwenderseite bleiben erhalten. Dies hat natürlich seinen Charme und wird von vielen Feldbusorganisationen aktiv favorisiert.

Der Schwerpunkt für SEW-Eurodrive liegt auf der Entwicklung einer einheitlichen Kommunikationslösung zwischen industriellen Steuerungen. Dafür sehen wir heute den Weg OPC UA over TSN. Es bleibt abzuwarten, ob die klassischen unterlagerten Ethernet-Feldbusse bei CPS-basierten Systemen ihre heutige Bedeutung beibehalten.

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Über den Autor

 Sariana Kunze

Sariana Kunze

Fachredakteurin Automatisierung, Vogel Commnications Group GmbH & Co. KG