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Wie Time-Sensitive Networking das industrielle IoT ermöglicht

| Autor / Redakteur: Karl Lehnhoff * / Margit Kuther

Das zeitsensitive Netzwerk (TSN) stellt eine Art Toolbox dar, die darauf abzielt, den Determinismus von Ethernet-basierenden Netzwerken zu verbessern. Wie, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Traffic Klasse: Isochron zyklisch mit bounded low latency (scheduled Traffic) für Profinet und OPC UA.
Traffic Klasse: Isochron zyklisch mit bounded low latency (scheduled Traffic) für Profinet und OPC UA.
(Bild: EBV Elektronik)

Time-Sensitive Networking (TSN) ist ein Industrie-4.0-getriebener Trend für zuverlässige, deterministische und konvergente Netzwerke, indem TSN die Grenzen zwischen Informations- und operativen Technologien abbaut. Time-Sensitive Networking legt die Grundlage für die Umsetzung moderner industrieller Konzepte wie das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) und stellt damit das Rückgrat der jüngsten industriellen Revolution – Industrie 4.0 – dar.

Netzwerk für industrielle Kommunikation

Die Struktur eines Kommunikationsnetzwerks in einer typischen Fertigungseinrichtung enthält mehrere verschiedene Kommunikationsebenen. Ein typisches Kommunikationsnetzwerk in der konventionellen Industrie (Industrie 3.0) lässt sich als ein hierarchisches Pyramidenmodell darstellen. Die unteren Schichten dieser Pyramide konzentrieren sich auf die direkte Steuerung und das Prozessmanagement der industriellen Ausrüstung auf der Ebene des Produktionsfeldes.

Die Technologien, die in den unteren Schichten der Pyramide eingesetzt werden, gehören zu den operativen Technologien (OT). Die oberen Schichten der Pyramide konzentrieren sich auf die gesamte Prozesssteuerung, Überwachung, langfristige Planung und organisatorische Funktionen. Die Technologien dieser Schichten der Pyramide zählen zu den Informationstechnologien (IT). Damit die Produktionsanlage korrekt funktioniert, müssen die obere und die untere Schicht der Pyramide Daten austauschen können.

Die Netzwerkanforderungen variieren von Schicht zu Schicht. Ohne einen genau definierten und synchronisierten Datentransfer ist es zum Beispiel unmöglich, das Ergebnis eines Prozesses oder einer Operation am Fließband im richtigen Moment zu kennen. Die Werkzeuge auf dem Förderband könnten einen Moment zu spät oder zu früh aktiviert werden, was zu Schäden an der Produktionslinie führen oder den Produktionsprozess vollständig zum Stillstand bringen könnte. Kommunikationsnetzwerke auf Feldebene (auch als Feldbusnetzwerke bekannt) werden für den zeitkritischen Datenaustausch zwischen den Maschinen und ihren Steuerungen verwendet. Daher sind sie vorhersehbar und deterministisch, so dass das System korrekt arbeiten kann.

Auf der anderen Seite gehören Anwendungen wie Enterprise Resource Planning (ERP) zur täglichen Büroarbeit. Das ERP-System wird in der Regel für Marktanalyse, Kundendienst, Rohstoffmanagement, Personalmanagement, Unternehmensleistung und ähnliche Aktivitäten auf Unternehmensebene eingesetzt, die nicht auf den Echtzeit-Datenaustausch mit den Feldgeräten angewiesen sind. In diesem Szenario ist ein nicht-deterministisches Netzwerkverhalten völlig akzeptabel, da die Informationen in erster Linie nach ihrem Inhalt bewertet werden. In solchen Netzwerken (auf Unternehmensebene) sind Protokolle wie TCP/IP vorherrschend.

Standardisierung von Netzwerklösungen

Diese grundlegenden Unterschiede machen die Implementierung eines integrierten Kommunikationsnetzwerks zu einer Herausforderung. In einer typischen industriellen Umgebung erfolgt die Trennung der zeitkritischen Kommunikation von der übrigen Netzwerklast (z.B. TCP/IP) durch parallele Vernetzung, was die Komplexität des Netzwerks erhöht und gleichzeitig die Flexibilität und Erweiterbarkeit verringert. Die vollständige Interkonnektivität ist jedoch eine der Hauptvoraussetzungen für das Industrie-4.0-Modell.

Bei diesem Modell wird die Feldausrüstung online geschaltet: Intelligente Produktionsmodule können flexibel miteinander verbunden und vernetzt werden und bilden so ein industrielles IoT. Dank der Fähigkeit, Daten in alle Richtungen auszutauschen, und durch die lokale Automatisierungscloud ermöglicht das industrielle IoT die vollständige Interoperabilität zwischen der unteren und der oberen Kommunikationsschicht und schafft so neue Möglichkeiten für die Umsetzung einer anspruchsvolleren und effizienteren Automatisierung.

Die Annäherung der Daten aus der Fabrikhalle an die Unternehmensebene und der kontinuierliche Austausch von Echtzeitinformationen ermöglicht den Einsatz einiger neuer Technologien. Die enge Integration von IT- und OT-Bereichen ermöglicht Funktionen wie die Vermeidung von Ausfallzeiten durch vorausschauende Wartung und die Optimierung der Produktivität durch automatische Prognosen und Bestandsverwaltung. Eine solche technologische Symbiose erfordert jedoch die Standardisierung von Netzwerklösungen, die sowohl den zeitkritischen als auch den bestmöglichen Datenverkehr unterstützen können, und zwar mit genügend Bandbreite, um die stetig steigende Datenverfügbarkeit zu unterstützen.

Industrial Ethernet löst das konventionelle Ethernet ab

In dem Bestreben, industrielle Automatisierungsnetzwerke zu standardisieren, haben sich Forscher und Automatisierungsentwickler dem Ethernet als einer etablierten, zuverlässigen und standardisierten drahtgebundenen Netzwerklösung zugewandt. Als offener Standard bietet Ethernet mehrere Vorteile gegenüber früheren Lösungen: eine standardisierte physikalische Schicht, erhöhte Geschwindigkeit, die Möglichkeit, allgegenwärtige Cat5/Cat6-Kabel zu verwenden, und vieles mehr. Die Idee bestand darin, industrielle Terminals schnell und einfach anzuschließen und mit relativ kostengünstiger Hardware für den Datenaustausch einfach zu skalieren. Herkömmliches Ethernet ist jedoch nicht für die Unterstützung zeitkritischer Kommunikation ausgelegt und bietet kein deterministisches Verhalten.

Ein herkömmliches Ethernet-Netzwerk sendet Datenpakete nach bestem Bemühen und ohne garantierte Ankunftszeit. In den frühen Tagen des Ethernets konnte umfangreicher Datenverkehr zu Kollisionen und Frame-Drops führen. Im Laufe der Zeit wurde Quality of Service (QoS) eingeführt, das eine Priorisierung des Datenverkehrs ermöglicht. Obwohl QoS die durch Kollisionen verursachten Frame-Drops verringerte, konnte es die Geschwindigkeit der Datenausbreitung durch das Netzwerk nicht garantieren. Die in herkömmlichen Ethernet-Switches mit mehreren Anschlüssen verwendete Store-and-Forward-Strategie, gepaart mit der Unfähigkeit, Datenbandbreite für Datenverkehr mit hoher Priorität zu reservieren, ist einer der Hauptgründe für das nicht-deterministische Verhalten des herkömmlichen Ethernet.

Ohne die Fähigkeit, das Timing zu kontrollieren oder eine Bandbreite zu reservieren, und mit der Möglichkeit, Datenpakete zeitversetzt zu senden, ist konventionelles Ethernet nicht in der Lage, die strengen Echtzeit-Kommunikationsanforderungen in der OT-Domäne zu unterstützen. Um diese Nachteile zu überwinden, begannen Forscher und Entwickler, an eigenen Erweiterungen des Ethernet-Standards zu arbeiten. Sie begannen, Ethernet als Transportmedium für verschiedene Feldbusprotokolle zu verwenden und implementierten verschiedene Modifikationen in den OSI-Schichten.

Diese Lösungen führten zu einer ausschließlichen Nutzung der Netzwerkinfrastruktur, die den TCP/IP-Verkehr nur durch Tunneling (EtherCAT, POWERLINK), spezielle Seitenkanäle (Sercos III) oder mit zeitlichen Einschränkungen (Profinet IRT, EtherNet/IP) zulässt. Eine solche Vielfalt von Kommunikationsprotokollen verringerte die Interoperabilität. Trotz der Verwendung einer standardisierten physikalischen Schicht war die Kompatibilität mit IEEE 802.1 vollständig unterbrochen, was zur Fragmentierung des Netzwerks und zum Auftreten isolierter Netzwerkinseln mit jeweils herstellerspezifischen Netzwerkprotokollen führte. Darüber hinaus erforderte jedes dieser Protokolle spezialisierte Netzwerk-Hardware, was den Mangel an Interoperabilität und Flexibilität noch unterstreicht.

Das zeitsensitive Netzwerk ist eine Art Toolbox

TSN stellt eine Reihe von Erweiterungen und Mechanismen (Tools) des IEEE-802.1-Standards dar, die von der IEEE 802.1 WG spezifiziert wurden und darauf abzielen, den Determinismus von Ethernet-basierenden Netzwerken zu verbessern. Als solches ist TSN anwendungsunabhängig: je nach spezifischen Zielen, etwa Audio Video Bridging, können verschiedene Werkzeuge verwendet werden. Die Normungsgruppe IEC/IEEE 60802 arbeitet derzeit an der Entwicklung eines TSN-Profils für die Industrieautomation (TSN-IA-Profil).

Hauptziel ist die Spezifizierung eines standardisierten Satzes von TSN-Werkzeugen für die Implementierung einer konvergenten Netzwerkarchitektur in der Industrieautomation. TSN zielt darauf ab, Funktionen auf der OSI-Schicht 2 zu standardisieren, so dass verschiedene Protokolle auf hoher Ebene die gleiche Netzwerkinfrastruktur nutzen können, ohne auf herstellerspezifische, inkompatible Implementierungen auf niedriger Ebene angewiesen zu sein.

Als offener und herstellerunabhängiger Standard ermöglicht TSN ein hohes Maß an Interoperabilität zwischen allen Kommunikationsdomänen innerhalb einer Produktionseinrichtung und erspart so die Herstellerbindung. Anstatt in die Weiterentwicklung ihrer eigenen inkompatiblen Ethernet-Implementierungen zu investieren, konkurrieren die Hersteller nun darum, ihre Protokolle zusätzlich zu TSN-fähigem Ethernet zu implementieren. Viele Erfolgsgeschichten demonstrieren die Machbarkeit solcher Lösungen, etwa die der EBV Elektronik, die einen TSN-Technologiedemonstrator mit dem NXP LS-1028A TSN-Switch durch Fraunhofer IOSB-INA hat realisieren lassen.

Der Demonstrator verwendete das TSN-optimierte PROFINET-Protokoll für die Kommunikation zwischen Steuerungen und Feldgeräten (Remote IO). Das OPC-UA-Protokoll wurde zur Vernetzung von Steuerungen untereinander sowie zur Vernetzung von Steuerungen und Feldgeräten mit dem Internet/Cloud verwendet. Aus der TSN Toolbox wurden die Mechanismen zur Zeitsynchronisation, Preemption und Time Aware Traffic Shaping genutzt. Der Demonstrator zeigte, dass sich Echtzeitanwendungen parallel und robust über das TSN-fähige Ethernet-Netzwerk ausführen ließen.

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 10/2020 (Download PDF)

* Karl Lehnhoff ist Director Segment Industrial bei EBV Elektronik

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