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Industrie-Netzwerke: Das Zusammenspiel von Ethernet TSN, OPC UA und 5G

Nur ein zuverlässiges und strukturiertes Zusammenwirken aller Einheiten sichert in einer ­Ameisen-Kolonie deren Erhalt. Nicht anders funktioniert im übertragenen Sinn die Datenkommunikation in einem modernen Industrie-Netzwerk.

Produktionshalle, Industrie 4.0 Bildquelle: © Siemens

Von außen betrachtet zeigt sich eine Ameisen-Kolonie recht unstrukturiert. Die Zusammenarbeit vieler Ameisen, die scheinbar verschiedenste Tätigkeiten unkoordiniert verrichten, ist für uns Menschen nicht wirklich klar nachvollziehbar. Und doch wird aus einem kleinen Hügel mit der Zeit ein großer Berg. Jede Ameise kennt ihren Platz und ihre Aufgabe im ‚Netzwerk‘, um die Kolonie zu erhalten und zu vergrößern. Je komplexer die Verflechtungen sind, desto wichtiger sind dabei die Mechanismen, die für ein zuverlässiges Funktionieren des Ameisen-Kollektivs sorgen.

Kommunikationsdaten in industriellen Netzwerken erfüllen wie Ameisen einen bestimmten Zweck und müssen vom Sender an den Empfänger geschickt werden. Das muss stets zuverlässig funktionieren – selbst wenn Netzwerke immer größer und komplexer werden. Und auch in einem Industrie-Netzwerk werden – wie in einem Ameisenberg – Informationen sowohl horizontal als auch vertikal verteilt. Leistungsfähige Kommunikationsstrukturen sind daher unverzichtbar, wenn immer mehr intelligente Einzelkomponenten miteinander Daten austauschen. Nicht zuletzt ist die Performance eines Netzwerks entscheidend für die Menge an Daten, die transportierbar sind – über alle Netzwerk-Strukturen hinweg bis in die Cloud.
Während in klassischen Unternehmensnetzwerken Vertraulichkeit und Integrität im Vordergrund stehen, spielen in der Industrie neben Schutz für Mensch und Umwelt auch Funktionen wie Echtzeit-Fähigkeit eine entscheidende Rolle. Ebenso wie Ameisen blitzschnell auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren, müssen Daten ihr Ziel in einer vorhersagbaren Zeit für das rasche Auslösen von Aktionen erreichen. Neue Technologien wie beispielsweise Time-Sensitive Networking (TSN) werden dies zukünftig auf Basis von internationalen Standards ermöglichen.

Transparente echtzeitfähige Kommunikation Bildquelle: © Siemens

Transparente Kommunikation: Die Produktivdaten werden horizontal zwischen den Maschinen ausgetauscht, während beispielsweise Diagnosedaten vertikal über TSN- und höhere Netzwerke zu Analysezwecken in die MindSphere gesendet werden.

TSN ist die Weiterentwicklung von Ethernet um standardisierte Echtzeit-Mechanismen und erlaubt im Zusammenspiel mit Gigabit-Switches den deterministischen Datenaustausch über erweiterte Quality-of-Service-Mechanismen (zum Beispiel Bandbreitenreservierung mit vorhersagbaren Latenzzeiten) sowie Zeitsynchronisation und stoßfreie Redundanz. Spezifiziert in der IEEE 802.1 des Institute of Electrical and Electronics Engineers, setzt sich TSN aus mehreren IEEE-Standards zusammen, die das Standard-Ethernet erweitern. Je nach Branche und Einsatzgebiet werden unterschiedliche Einzelstandards benötigt: Während in Kraftfahrzeugen IEEE 802.1DG für die interne Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten zum Einsatz kommt, ist beispielsweise in öffentlichen Transportmitteln die echtzeitfähige Übertragung von Audio/Video-Daten wichtig. Dies wird unter anderem durch den Standard IEEE 802.1BA gewährleistet. Bei industriellen Netzwerken wiederum steht die echtzeitfähige Kommunikation im Vordergrund; mit dieser Zielrichtung wurden beim IEEE-Standard 802.1Q einige neue Unterstandards hinzugefügt.