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Echtzeit-Ethernet: Der Einzug von TSN

Belden zeigte auf der Hannover Messe 2016 für seine Marke Hirschmann einen ersten Switch auf Basis des 'IEEE 802.1 echtzeitfähigen Ethernet TSN'. Über die Gegenwart und Zukunft des TSN bei Belden sprach Computer&AUTOMATION mit Dr. Oliver Kleineberg.

Erster Switch auf Basis des IEEE 802.1 echtzeitfähigen Ethernet TSN von Hirschmann Bildquelle: © Belden

Herr Kleineberg, Sie stellten auf der Hannover Messe einen Switch auf Basis von TSN (Time-Sensitive Networking) vor, obwohl die Spezifikation für diesen Standard noch gar nicht abgeschlossen ist. Wie erklärt sich das?
Kleineberg:
TSN ist nicht ‚ein‘ Standard, sondern eine Sammlung verschiedener Spezifikationen, die in der Gesamtheit die Weiterentwicklung der Ethernet-Switching-Technologie beschreiben. Die Arbeit an den verschiedenen Teilstandards wird, wie bei allen vorherigen Projekten der IEEE 802 auch, zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Arbeitsgruppe begonnen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten fertiggestellt. Der größte Teil dieser Teilspezifikationen ist dabei unabhängig vom Rest nutzbar. So erklärt sich auch, wie wir auf der Hannover Messes 2016 bereits Geräte mit TSN vorstellen konnten. Der in diesen Geräten implementierte ‚Time-Aware Scheduler‘ nach IEEE 802.1 Qbv ist bereits verabschiedet. Somit besteht kein Risiko, bei dieser Teilspezifikation gegen ein bewegliches Ziel zu entwickeln. Schön hierbei: Wir konnten mit dieser Implementierung im Messeaufbau zeigen, dass bereits dieser TSN-Standard allein schon sehr wirkungsvoll arbeitet und einen signifikanten Mehrwert in Industrial Ethernet Switchen darstellt.

Dr. Oliver Kleineberg von Belden Bildquelle: © Belden

Dr. Oliver Kleineberg, Manager Advance Development Industrial IT bei Belden: "Es wird noch mancher Automatisierungshersteller überrascht sein, wie schnell TSN in der Industrie Fuß fasst."

Ingenieure von Hirschmann arbeiten seit Beginn der ersten Diskussionen vor sieben Jahren an dem TSN-Standard in der IEEE-Arbeitsgruppe 802.1 mit. Warum ist Ihnen TSN so wichtig?
Kleineberg:
Bis dato ist der Echtzeit-Ethernet-Markt in der Automation durch unterschiedliche Lösungen geprägt. Soll eine Industrie 4.0 Realität werden, ist dieser Status quo nicht mehr haltbar. Die einzig vernünftige Lösung ist, bei der zugrunde liegenden Basistechnologie auf eine herstellerneutrale und universell kompatible Lösung zu setzen. Das bedeutet: Nur die IEEE 802.3 und 802.1, die ‚Väter‘ des Ethernet selbst, kommen hierfür in Frage. Mit der vor sieben Jahren laufenden Audio-and-Video-Bridging-Standardisierung – kurz AVB – sahen wir die Chance, das Thema Echtzeit-Ethernet bei der IEEE 802 zu ver­ankern. Hieraus entwickelte sich die AVB-Generation 2, die 2011 in TSN umbenannt wurde. TSN ist für uns die konsequente Weiterentwicklung der Ethernet-Basistechnologie und der nächste Technologiesprung, der die zukünftigen Datennetzwerke des IIoT und der Fabrik der Zukunft durch seine hohen Bandbreiten bei gleichzeitiger Garantie für unterschiedliche Dienstgüte überhaupt erst ermöglicht. TSN wird langfristig ein Standardmerkmal aller Industrial-Ethernet-Geräte werden.

Vor gut einem Jahr war TSN in der Fabrikautomation noch gar kein Thema; seither wird es als möglicher Vernet- zungsstandard im Verbund mit OPC UA bis herunter zu den Steuerungen gesehen. Bleibt denn das Applikationsfeld der harten Echtzeit von TSN verschont?
Kleineberg:
TSN ist weniger ein Ersatz für etablierte Industrial-Ethernet-Systeme, sondern eher eine Erweiterung. So ist es etwa möglich, TSN als Übertragungstechnologie in bereits etablierten Ökosystemen wie Profinet oder Ethernet/IP einzusetzen. Auch andere Organisationen wie Sercos International diskutieren mittlerweile den Einsatz von TSN als Übertragungstechnologie. Die Initiative der OPC Foundation ist hierbei besonders hervorzuheben. Durch die Kombination von TSN mit OPC UA entsteht ein vollständig herstellerneutrales Kommunikationssystem inklusive der Geräte- und Kommunikationsmodelle in den höheren Schichten. Somit wird TSN langfristig in allen Bereichen der Industrieautomatisierung erfolgreich sein. Die in TSN spezifizierten Mechanismen für Hintergrundverkehr – ‚Harte‘ und ‚Weiche‘ Echtzeit – sind in der Lage, die vielen unterschiedlichen Verkehrsmuster in Industrienetzen heute und in absehbarer Zukunft abzubilden. Durch die hohe Bandbreite und unterschiedliche Dienstgüte sowie Zeitgarantien kann dies über ein einziges, durchgängiges Netzwerk erfolgen.

Welche Zyklus- beziehungsweise Jitterzeiten sind TSN tatsächlich zuzu­trauen?
Kleineberg:
TSN kann – von der technischen Auslegung in den Spezifikationen – mindestens das erreichen, was die heutigen etablierten Echtzeitsysteme leisten. In Zukunft – mit der zwangsläufigen Weiterentwicklung der Ethernet-Technologie – ist sogar mehr drin: Wenn sich höhere Bandbreiten als 1 GBit/s in Industrienetzen kostengünstig realisieren lassen, dann wächst TSN automatisch mit. Die erreichbaren Zykluszeiten hängen letztlich von den Geräten ab. Nicht jedes TSN-Gerät wird beliebig geringe Zykluszeiten unterstützen – und auch nicht unterstützen müssen. Wichtig ist nur, dass die Technologie skalierbar ist, damit sich alle Erfordernisse des Marktes erfüllen lassen und ein durchgängiges Netzwerk realisiert werden kann.

Wie war die Reaktion Ihrer Kunden auf die Vorstellung des ersten TSN-tauglichen Switch?
Kleineberg:
Wir hatten uns eine positive Resonanz auf die Vorstellung erhofft – aber mit einer so starken Reaktion, wie wir es auf der Messe erlebt haben, hatten wir nicht gerechnet. Wir hatten teilweise eine Warteschlange an der Präsentationswand und zwei bis drei parallele Diskussionen gleichzeitig – und das fast über die gesamte Messewoche hinweg.

Woher rührt diese positive Resonanz?
Kleineberg:
Ich kann jetzt nur Mutmaßungen anstellen, aber eine Rückmeldung kam von fast allen Messe­besuchern: Beeindruckend war die Tatsache, dass TSN nicht auf Demoboards oder Laborsamples präsentiert wurde, sondern auf Seriengeräten – RSP- Switchen der Marke Hirschmann, die für die Messe mit einem TSN-Softwarestand versehen wurden. Vielen Besuchern wurde zu diesem Zeitpunkt erst richtig klar, dass TSN kein reines Zukunftsthema mehr ist. – Seine Zeit ist gekommen!

Wie schnell wird sich TSN in der Fabrikautomation etablieren?
Kleineberg:
Die Verbreitung hängt von vielen Faktoren ab, die je nach ­vertikalem Markt unterschiedlich aus­geprägt sind: Wie dringend wird die Technologie benötigt? Wann steht ein bestimmter Teilstandard von TSN zur Verfügung, der zwingend benötigt wird? Wie schnell sind die Innovationszyklen in diesem Markt? Oder: Wie schnell kann nachgerüstet werden? Wie schnell wird eine in diesem Markt ­vorherrschende Landschaft aus branchenspezifischen Spezifikationen – beispielsweise in der Energieautomatisierung – TSN in seine Dokumente einbeziehen? Auf die Fabrikautomation bezogen erwarte ich eine zügige Inte­gration, denn hier ist der Bedarf in den nächsten Jahren durch die Transformation der Fertigungsnetzwerke groß und die etablierten Systeme aktuell nicht in der Lage, diesen Bedarf marktgerecht zu decken.