TSN-Serie Teil 13

Die Kombi macht´s!

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© Ericsson

Mit TSN lässt sich zwar eine hersteller- und plattformübergreifende Vernetzung realisieren. Doch erst in Kombination mit 5G wird die durchgängige Ende-zu-Ende-Echtzeit-Kommunikation auch für mobile Anwendungen und Cloud-Anbindung möglich.

Das Potenzial der Kombination aus TSN und 5G haben auch das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie einige Maschinenbau-, Robotik- und Netzwerktechnik-Unternehmen erkannt. Gemeinsam haben sie eine entsprechende Kommunikationsinfrastruktur entwickelt mit dem Ziel einer hochverfügbaren, zuverlässigen und sicheren Kommunikation von der Sensorik und Aktorik bis in die Cloud. Für drahtgebundene Kommunikation stellt TSN die Echtzeit sicher, für alle mobilen und Cloud-Verbindungen die Mobilfunktechnologie 5G. 
Ein Anwendungsfall ist die präzise Ansteuerung eines Roboters und eines Werkzeugs oder von zwei kooperierenden Robotern im laufenden Betrieb. Die Rechenprozesse lassen sich mit dieser Infrastruktur in die Cloud auslagern, die Ergebnisse werden dann in das System zurück übertragen. So können Roboter in hochdynamischen Produktionssystemen adaptiv und flexibel gesteuert werden, auch ohne dass sie direkt miteinander verbunden sind. Das funktioniert herstellerübergreifend auch mit bestehenden Maschinen und Anlagen. Ebenso profitieren zahlreiche andere Szenarien von dieser Kombination – oder werden dadurch erst möglich; vom autonomen Fahren über Transportanwendungen bis zur Telechirurgie.

TSN für echtzeitfähiges Ethernet

Betrachten wir zunächst TSN, eine Weiterentwicklung des Standard-Ethernet. Ethernet sorgt auf der IT-Ebene, also in Büro-Umgebungen, für den Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Industrial Ethernet ist robuster und damit auch für raue Umgebungen geeignet. Zudem bietet es dank spezieller Protokolle (zum Beispiel Ethercat, Profinet, Modbus TCP) einen besseren Determinismus, das heißt Datenpakete werden zu vorhersagbaren Zeitpunkten gesendet beziehungsweise empfangen, ein Datenverlust ist ausgeschlossen.  

Was jedoch auch Industrial Ethernet nicht garantiert, ist Echtzeit. Hierfür hat die IEEE 802.1 Task Group eine Reihe an Sub-Standards entwickelt, die unter dem Begriff Time-Sensitive Networking (TSN) bekannt sind. Sie definieren Protokolle für das Timing und die Zeitsynchronisation (IEEE 802.1AS) sowie für die Konfiguration (vor allem IEE 802.1Qcc) und Regelung des Datenverkehrs (Traffic Shaping und Scheduling, IEE 802.1CB, IEE 802.1Qbu, IEE 802.1Qbv und andere). Damit gibt es einen gemeinsamen Zeitplan, der festlegt, wann Datenpakete mit Priorisierung weitergeleitet werden. 
TSN deckt nicht alle sieben Layer des OSI-Schichtenmodells ab, dem Referenzmodell für Netzwerk-Protokolle, bei dem jede Schicht die Kommunikation zwischen zwei Systemen mit spe-zifischen Aufgaben und Funktionen definiert. TSN betrifft die Schichten 1 und 2 sowie den Echtzeit-Aspekt, der sich vertikal durch das Modell zieht. Es sind also weitere Protokolle für die höheren Schichten notwendig. Unternehmen können hier ihre bestehenden Standards weiter nutzen, etwa OPC UA. Diese profitieren von der Echtzeit-Garantie durch TSN, ohne dass sie hierfür angepasst werden müssten. 

Interoperabilität und IT/OT-Konvergenz

Dank offener Standards erlaubt TSN die hersteller- und plattformunabhängige Interoperabilität verschiedener Geräte, Maschinen und Anlagen, analog zu Standard-Ethernet auf der IT-Ebene. Diese Standard-Ethernet-Komponenten lassen sich in TSN integrieren; damit stellt TSN die durchgängige Verbindung der IT- (Information Technology) und OT- (Operational Technology) Ebenen her. Kritische und unkritische Systeme mit unterschiedlichen Traffic-Klassen können im selben Netzwerk laufen.    
Mit Bandbreiten von 10 Gbps bis zu 400 Gbps – im Gegensatz zu den 100 Mbps, die bei Industrial-Ethernet-Netzwerken üblich sind – beantwortet TSN zudem die Anforderungen durch immer größere Datenmengen. 
Bislang sind erst einige der TSN-Substandards ratifiziert, andere sind noch in Arbeit. Dennoch können die bestehenden Standards sofort implementiert werden; sie gewährleisten bereits die Echtzeit-Kommunikation und lassen sich auf künftige Standards anpassen.


  1. Die Kombi macht´s!
  2. Echtzeit auch drahtlos mit 5G
  3. Verfügbare TSN- und 5G-Produkte
  4. 5G-Karten, -Modems und -Antennen

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