Welche Vorteile Time-Sensitive Networking (TSN) in der Mess- und Steuertechnik bietet

| Autor / Redakteur: Brandon Treece * / Hendrik Härter

Zukunftsszenario: Ab 2019 werden mindestens 40 Prozent der Daten im IoT direkt am Netzwerk-Edge gespeichert, verarbeitet, analysiert und verwertet. Hier hilft Time-Sensitive Networking.
Zukunftsszenario: Ab 2019 werden mindestens 40 Prozent der Daten im IoT direkt am Netzwerk-Edge gespeichert, verarbeitet, analysiert und verwertet. Hier hilft Time-Sensitive Networking. (Bild: National Instruments)

Über Ethernet lassen sich nicht nur IT-Daten, sondern auch Mess- und Steuerfunktionen übertragen. Das verspricht TSN: Es ist offen, interoperabel und Grenzen bei Latenz und Bandbreite sind kein Problem.

Technologien für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) kommen in unterschiedlichen Branchen und Anwendungen zum Einsatz. So ist Industrie 4.0 auf Produktionsanlagen und -prozesse ausgerichtet, während das Smart Grid die Umsetzung des IIoT im Stromnetz ist.

Für Ingenieure verspricht das IIoT drei wesentliche Vorteile:

  • Längere Betriebszeiten durch vorausschauende Wartung,
  • höhere Leistung durch dezentrale Steuerung und
  • verbesserte Produktentwicklung und -fertigung durch vernetzte Daten.

Um die Vorzüge des IIoT auszuschöpfen, ist eine intelligente Datenverarbeitung und -analyse am Netzwerk-Edge notwendig. Denn je komplexer Systeme werden, desto mehr Entscheidungen müssen in Echtzeit getroffen werden. So müssen für Strukturtests bei Windkraftanlagen riesige Mengen hochauflösender Analogsignale ausgewertet werden, will man das Verhalten eines Rotorblatts verstehen. Die Daten müssen sofort verarbeitet und als Steuerbefehle an das Rotorblatt weitergegeben werden. Daher verwundert es nicht, dass Experten zufolge künftig mindestens 40 Prozent aller IoT-generierten Daten am Netzwerk-Edge gespeichert, verarbeitet, analysiert und verwertet werden. Damit Entscheidungen direkt oder so nah wie möglich am Datenerfassungspunkt gefällt werden können, sind wiederum intelligente Edge-Nodes erforderlich.

CompactRIO und CompactDAQ für die Messtechnik

Bereits seit einigen Jahren investiert National Instruments in CompactRIO und CompactDAQ: beides Plattformen für Mess-, Steuer- und Regeltechnik und beide basieren auf modularer Hardware und softwaredefinierter Funktionalität. Dank der integrierten I/O-Schnittstellen und -Module der C-Serie lassen sich I/Os mit messspezifischer Signalkonditionierung erstellen. Daran wiederum lässt sich jeder Sensor und jedes Gerät über ein beliebiges Bussystem anschließen. In CompactRIO ist zudem ein Echtzeitprozessor sowie ein anwenderprogrammierbarer FPGA integriert.

Mit CompactDAQ lassen sich Messdaten erfassen, da hier die Software-API NI-DAQmx unterstützt. Beispiel Strukturtest: Für ein vollständiges Verständnis des Verhaltens und der Leistung eines Rotorblatts muss die gesamte Konstruktion mit Sensoren zur Messung von Dehnung, Druck, Last oder Drehmoment ausgestattet werden. Alle Sensoren – bei großen Anwendungen sind bisweilen tausende über das komplette System verteilt – erzeugen Analogsignale, die mit hoher Geschwindigkeit und Auflösung gemessen werden. Die Daten müssen erfasst und in Echtzeit verarbeitet werden. Nur dann lassen sich Sollwerte direkt an die zu steuernden Aktoren im System weitergeben. Anwender sollten beachten, dass solch ein System handhabbar bleibt. Synchronisiert werden müssen:

  • bis zu tausende Kanäle und zahlreiche Messsysteme,
  • Steuersysteme, damit alle Aktoren zum richtigen Zeitpunkt agieren und
  • Mess- und Steuersysteme.

Verschiedene Mess- bzw. Steuersysteme zu synchronisieren ist keine neue Aufgabe. Üblicherweise werden signalbasierte Methoden angewandt, bei denen die Übertragung einer gemeinsamen Zeitbasis an die verteilten Knoten über physische Kabel erfolgt. Diese Herangehensweise unterliegt jedoch gewissen Einschränkungen in Bezug auf Entfernung, Skalierbarkeit und Rauschanfälligkeit. Hier bietet sich ein Protokoll an, das auf einem gängigen Standard wie Ethernet aufsetzt. Ethernet ist offen und interoperabel, ist allerdings bei den Latenzen und der Bandbreite begrenzt. Eine Abhilfe versprechen EtherCAT, PROFINET oder EtherNet/IP – häufig als hartes Echtzeit-Ethernet bezeichnet –, die die erforderliche Echtzeitleistung, Latenz und Steuerungsmöglichkeiten bereitstellen. Für jede Ethernet-Variante sind allerdings hard- und softwareseitige Änderungen an der Netzwerkinfrastruktur nötig. Das kann höhere Kosten und Kompatibilitätsprobleme zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller bedeuten.

Time-Sensitive Networking (TSN) schickt sich an, den Markt der Messtechnik aufzumischen: Die Weiterentwicklung des Ethernet-Standards schafft den Brückenschlag zwischen der Offenheit und Interoperabilität von Ethernet und den Latenzgrenzen und Bandbreitengarantien von hartem Echtzeit-Ethernet. Zu den Schlüsselfunktionen von TSN gehören: zeitbasierte Synchronisierung, Traffic Scheduling und Systemkonfiguration. Das Precision Time Protocol nach IEEE 1588 unterstützt eine netzwerkbasierte Synchronisierung innerhalb weniger Mikrosekunden. Mithilfe von Funktionen wie Traffic-Scheduling und Systemkonfiguration ist eine deterministische Datenübertragung möglich, sodass ein zeitkritischer Datenverkehr getaktet und priorisiert über das Netzwerk gesendet werden kann.

Ein Ethernet-Netzwerk für IT, Mess- und Steuerfunktionen

TSN im Einsatz: Die TSN-fähigen CompactRIO-Controller unterstützen Synchronisierungen und deterministische Kommunikation.
TSN im Einsatz: Die TSN-fähigen CompactRIO-Controller unterstützen Synchronisierungen und deterministische Kommunikation. (Bild: National Instruments)

Da TSN auf dem Ethernet-Standard basiert, lassen sich die Zeit präzise synchronisieren und Messdaten deterministisch übertragen. Und das über ein Ethernet-Netzwerk, das auch vom anderweitigen Netzwerkverkehr genutzt wird. Über einen Port des Mess- bzw. Steuersystems werden deterministische Datenübertragungen als auch allgemeine IT-Aufgaben wie die Aktualisierung dezentraler Benutzeroberflächen oder das Senden von Dateien gehandhabt. Besonders die Prozess- und Maschinensteuerung profitieren, da sie eine geringe Übertragungslatenz und minimalen Jitter erfordern. Die CompactRIO-Controller von National Instruments werden stetig ausgebaut und unterstützen Datensynchronisierungen sowie deterministische Kommunikation.

Da die Mess- und Steuerfunktionen von separaten Subsystemen ausgeführt werden, sind auch die Werkzeuge, Programmierumgebungen und Datenerfassungsmechanismen voneinander getrennt. So werden Steuersysteme wie SPS häufig in einer EN-61131-3-konformen Sprache programmiert und arbeiten mit Einzelwerten. Der Datentyp eignet sich für Steuer- und Regelanwendungen, jedoch nicht für Einblicke in die Daten. Notwendig sind Signalverlaufsdaten. Entsprechend arbeiten Messsysteme mit eben solchen, sind jedoch nicht auf das Senden von Einzelwert-Signalen zur Steuerung oder eine deterministische Reaktion auf diese ausgelegt.

Bereits seit einigen Jahren nähern sich beide Systemarten langsam an. Der aktuelle CompactRIO-Controller bietet einen Echtzeitprozessor und einen FPGA für deterministische Steueranwendungen und lässt sich mit dem Treibern NI-DAQmx programmieren. Enthalten sind integrierte Konfigurations- und Fehlerbehebungswerkzeuge, Konfigurationsprogramme und APIs. Die Intelligenz lässt sich komplett auf den FPGA auslagern.

Bereit für TSN: Zwei Fragen an Rahman Jamal

Time Sensitive Network: Rahman Jamal, Business & Technology Fellow, Marketing bei National Instruments.
Time Sensitive Network: Rahman Jamal, Business & Technology Fellow, Marketing bei National Instruments. (Bild: National Instruments)

Herr Jamal, das Zusammenspiel zwischen der Mess- und der Steuerungstechnik stellt Ingenieure immer wieder vor Herausforderungen. Wie wirkt der neue NI-Controller dem entgegen?

Traditionell wurden Mess- und Steuersysteme unabhängig betrachtet, was dem Anwender einen erhöhten Synchronisations- und Integrationsaufwand bescherte. Zudem wächst die Bedeutung der IT-Welt für IIoT und Industrie 4.0 stetig. Es findet eine Konvergenz zwischen IT und den Operational Technologies (OT) statt – zu denen wiederum viele Komponenten der Mess- und Steuerungstechnik gehören. Genau diese IT/OT-Konvergenz wird vom aktuellen CompactRIO-Controller mit NI-DAQmx unterstützt. Außerdem ermöglicht er eine nahtlose Integration der Mess-, Steuer- und Regeltechnik.

Aber der Markt bietet doch bereits Ansätze zu solchen integrativen Lösungen. Was ist Ihr Unterscheidungsmerkmal?

Schon die Kombination von TSN-Fähigkeit, anwenderprogrammierbaren FPGAs und NI Linux Real-Time in einer Mess-, Steuer- und Regelungsplattform ist meines Erachtens einzigartig. Denn die TSN-Fähigkeit des Controllers gestattet eine Synchronisation über Standard-Ethernet unterhalb des Mikrosekundenbereichs, was für eng synchronisiertes verteiltes Messen, Steuern und Regeln sorgt. Mit dem mit LabVIEW programmierbaren FPGA wiederum lässt sich der Controller an die Anforderungen des Anwenders anpassen. Das Betriebssystem NI Linux-Real-Time rundet alles ab: Es ermöglicht eine offene und sichere Verarbeitung am Edge des IIoT.

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* Brandon Treece ist Senior Product Marketing Manager bei National Instruments in Austin

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