Schlüsseltechnologie für Industrie 4.0 und IIoT

(Bildquelle: Josep.Ng@shutterstock.com)

| von Gunnar Leßmann, Master Specialist Profinet & TSN, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont

Doch wofür steht TSN, welche Standards sind relevant und wie wird die Entwicklung eingeschätzt? Es ist also Zeit für eine Übersicht. Bei einem Blick in die aktuellen Automatisierungsarchitekturen sind auf der Feldebene weiterhin die klassischen Bussysteme – beispielsweise Profibus – 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 IEEE 802. Die Standardisierung sorgt für eine breite, kostengünstige und interoperable Verfügbarkeit von Ethernet-Basistechnologien und -Bausteinen. Von diesen Vorzügen profitieren auf Ethernet beruhende Systeme wie beispielsweise Profinet RT oder Modbus/TCP, denn jedes IEEE802-konforme Endgerät und jeder Switch kann für den Datenaustausch verwendet werden.

Bei den Aktivitäten der IEEE 802 stand die Nutzung von Ethernet in Applikationen mit harten Echtzeitanforderungen bislang allerdings nicht im Fokus. Daher gibt es für derartige Anwendungsszenarien heute spezielle Ausprägungen - etwa Profinet IRT -, die nicht durch die IEEE 802 standardisiert sind, teilweise nur eine Datenrate von 100 MBit/s unterstützen sowie besondere Gerätehardware bedingen.

TSN-Standards der IEEE 802: Inzwischen sind alle Standards freigegeben
BIld 1: TSN-Standards der IEEE 802: Inzwischen sind alle Standards freigegeben

Diese Situation kann sich mit TSN ändern. Durch ein entsprechendes Bündel von Mechanismen, die von der IEEE 802 standardisiert sind, wird Ethernet echtzeitfähig und ermöglicht höhere Bandbreiten als 100 MBit/s bei gleichzeitiger Nutzung des Netzwerks für IT- und Automatisierungsanwendungen (Bild 1). 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 (Bild 2).

Für Anwender und Applikationen zählen dazu Bandbreiten von 1 GBit/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.

Beispiel für ein konvergentes TSN-Netzwerk gemäß IEC/IEEE 802 60802: Mehrere Echtzeitprotokolle und die TCP/IP-Kommunikation nutzen gemeinsam ein Netzwerk
Bild 2: Beispiel für ein konvergentes TSN-Netzwerk gemäß IEC/IEEE 802 60802: Mehrere Echtzeitprotokolle und die TCP/IP-Kommunikation nutzen gemeinsam ein Netzwerk

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 – zum Beispiel 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 IEEE 802 trifft hier keine Bestimmungen, um den branchenübergreifenden Einsatz von Ethernet zu garantieren. Deshalb haben sich die für die Feldbussysteme verantwortliche Organisation IEC und die IEEE 802 als für Ethernet zuständiger Verband zusammengetan und die gemeinsame Aktivität IEC/IEEE 802 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 in Bild 2 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 zum Beispiel 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 (Bild 3). Zur Umsetzung dieser Absicht erweist sich das vorher vorgestellte Industrial Automation Profile (IAP) IEC/IEEE 60802 als elementar.

Bild 3: Einordnung der Feldbusorganisationen: Durch die gemeinsame Verwendung eines TSN-Profils wird ein konvergentes TSN-Netzwerk sichergestellt. Andere Industrien, etwa die Automobilindustrie, können IEEE 802 802-Standards beispielsweise für In-Car-Applikationen anders einsetzen.
Bild 3: Einordnung der Feldbusorganisationen: Durch die gemeinsame Verwendung eines TSN-Profils wird ein konvergentes TSN-Netzwerk sichergestellt. Andere Industrien, etwa die Automobilindustrie, können IEEE 802 802-Standards beispielsweise für In-Car-Applikationen anders einsetzen.

Vom Standard zur Lösung

Bild 4 stellt den grundlegenden Ablauf des IEEE802-Standards bis zur funktionierenden Lösung beim Anwender dar und gibt eine Einordnung hinsichtlich des derzeitigen Stands bei TSN (Bild 4). 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 1 GBit/s – ziehen möchte. Diese Bandbreiten werden in einem konvergenten IT- und OT-Netzwerk benötigt, weil es zum Beispiel 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 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).

Bild 4: Konvergentes TSN-Netzwerk gemäß IEC/IEEE 802 60802: Die TSN-Streams in einem Netzwerk können von unterschiedlichen Protokollen genutzt werden, was eine hersteller- und protokollübergreifende Standardisierung erfordert.
Bild 4: Konvergentes TSN-Netzwerk gemäß IEC/IEEE 802 60802: Die TSN-Streams in einem Netzwerk können von unterschiedlichen Protokollen genutzt werden, was eine hersteller- und protokollübergreifende Standardisierung erfordert.

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/IEEE 60802 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.

Mehr Informationen:www.phoenixcontact.de/prozess

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