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Ethernet in der Fabrik: TSN-Netze automatisch konfigurieren

Ethernet TSN gilt als vielversprechender Ansatz zur Etablierung einer offenen Echtzeit-Kommunikation. Die Vielfältigkeit der TSN-Standards erhöht allerdings auch die ­Komplexität der Netzwerke. Aktuell noch einfache Management- bzw. auto­matische Konfigurationsmechanismen.

A_TSN in modularen Anlagen Bildquelle: © SmartFactory-KL / C.Arnoldi

Im Rahmen der SmartFactory-KL forschen die Wissenschaftler des DFKI unter anderem daran, wie auf Modul-Ebene eine anwendungsgetriebene Instanziierung gekapselter Fertigungsfunktionen in Form von Produktionsmodulen realisiert werden kann. Die Gesamtanlagenstruktur setzt sich derzeit aus zehn herstellerunterschiedlichen Produktionsmodulen zusammen.

Seitdem der Begriff ‚Industrie 4.0‘ auf der Hannover Messe 2011 ausgerufen wurde, steht die Digitalisie-rung und die durchgängige Vernetzung der Produktion im Fokus von ­Wissenschaft und Politik. Wandelnde Marktbedürfnisse fordern kundenindividualisierte Produkte bei immer kür­zeren Produktlebenszyklen – modular skalierbare Anlagen mittels Plug& Play stellen hierbei einen Lösungs­ansatz dar.

Klassische Projektierungslösungen in der Automatisierungstechnik sehen allerdings noch kein echtes Plug&Play vor. Insbesondere in echtzeitkritischen Anwendungen müssen Steuerung und Kommunikation als integrierte Lösung projektiert werden. Hierfür stehen zwar unterstützende Engineering-Tools zur Verfügung, diese können allerdings nur für eine statische Anwendung und meist proprietäre Technologien genutzt werden. Mit anderen Worten: Es werden heute hauptsächlich proprietäre Feldbus-Lösungen eingesetzt, welche zwar die statischen Anforderungen klassischer Automatisierungssysteme erfüllen, aber das Netzwerk in herstellerabhängige Insellösungen fragmentieren und zudem keine echtes Hot-Plugging unterstützen.

Eine Technologie, die in diesem Kontext mehr und mehr von sich reden macht, ist Time-Sensitive Networking (VERLINKEN). TSN definiert eine globale und verbesserte Zeitsynchronisierung (802.1AS-Re) und einen der Kernstandards zur Umsetzung einer deterministischen Datenübertragung, den Time-Aware Scheduler (802.1Qbv). Dieser ermöglicht es, die synchronisierte Zeit zu unterteilen und so dedizierte und priorisierte Zeitschlitze zu reservieren.

Echtzeitdaten können auf diese Weise in zeitlich priorisierten Slots übertragen werden, ohne von Nicht-Echtzeitdaten beeinflusst zu werden. So lassen sich maximale Latenzzeiten von 122 µs bei Fast-Ethernet mit einer Frame-Länge von 1518 Byte und 12,2 µs bei Giga-bit-Ethernet erreichen. Weitere Mechanismen wie Schutzbänder (IEEE  802.1Qbu) und Frame-Preemption (IEEE 802.1Qbu) können die Zykluszeit auf 5,12 µs beziehungsweise 0,512 µs reduzieren.

1_TSN-Infrastruktur in modularen Fabrikanlagen Bildquelle: © DFKI / SmartFactory-KL

Bild 1: TSN-Infrastruktur in modularen Fabrikanlagen: Ein standardisiertes Layer-2-Netzwerk kann dabei helfen, die Anbindung von Modulen über konventionelle Feldbus-Stacks oder Maschinenprotokolle wie OPC UA zu vereinfachen.

Neben den neuen, verbesserten Ethernet-Mechanismen hat TSN das Potenzial, den nächsten Standardisierungsschritt auf Layer 2 des ISO/OSI-7-Schichtenmodells (Data-Link)  durchzuführen und so eine generische Netzwerk-Infrastruktur in der Automatisierungstechnik bereitzustellen (Bild 1). Diese generische Infrastruktur kann genutzt werden, um sowohl klassischen Feldbus-Protokollen und IT-Services als auch zukünftigen Protokollen wie OPC UA Pub/Sub eine deterministische Infrastruktur zu bieten.

Verschiedene Aktivitäten zeigen das Interesse der Branche, die Stärken von TSN zu nutzen. So arbeitet eine Arbeitsgruppe innerhalb der OPC Foundation daran, die Kombination von OPC UA über TSN zu evaluieren. Auch die Profibus Nutzerorganisation sowie Sercos International möchten die Stärken von Profinet beziehungsweise Sercos III und TSN zusammenführen, um so von einer standardisierten Infrastruktur zu profitieren beziehungsweise die Protokoll-Stacks mit TSN zu vereinen. Dies soll in Zukunft außerdem dabei helfen, die Interoperabilität beim Aufbau herstellerübergreifender Produktionsanlagen auszuweiten.