Für Steuerungssysteme im industriellen Umfeld ist garantierte Kommunikation in Echtzeit ein Muss, damit sie sicher und effizient arbeiten können. Für IT-Systeme hingegen, auf denen Analysesoftware läuft, hat Echtzeit-­Garantie bei der Datenkommunikation nicht die höchste Priorität, sondern vielmehr der offene Datenzugang. Diese Dichotomie hat bezeichnenderweise zu einer Abgrenzung zwischen Netzwerken für Steuerungszwecke und Unternehmensanwendungen geführt. Einerseits gewährleistet dies zwar die Integrität der Performance und Sicherheit der Maschinen, bringt jedoch andererseits qualitative Einschränkungen bei Zugänglichkeit, Analyse und Nutzung von Daten mit sich. Damit Industrie 4.0 aber tatsächlich über alle Industriemaschinen, Prozessschritte und Schnittstellen hinweg realisierbar ist, muss es eine offene und herstellerunabhängige Kommunikationsplattform geben, die sowohl den Bedürfnissen von IT-Systemen hinsichtlich eines offenen Datenzugangs als auch den Echtzeit-Anforderungen industrieller Steuerungssysteme Rechnung trägt.

Stand heute ist dies nicht der Fall: Vielmehr werden aktuell auf einen bestimmten Zweck spezialisierte Steuerungsnetzwerke in der Regel mit pro­prietären Kommunikationsprotokollen über Gateways miteinander verbunden. Diese Art von anwendungsoptimierten Netzwerk-Architekturen bieten Datenzugang und Flexibilität im Sinn eines ‚Internet of Things‘ jedoch nur in eingeschränktem Maße. Sobald bei einem System neue Funktionen und Geräte hinzukommen, werden noch mehr Netzwerke installiert. Letztendlich führt dies dazu, dass industrielle Systeme unter Umständen eine zweistellige Anzahl verschiedener Netzwerke beinhalten, die zueinander inkompatible Protokolle nutzen. Solche Systeme sind weder flexibel, noch entfalten sie ihr maximales Leistungspotenzial.

In Form von TSN (Time-Sensitive Networking) tritt nun eine standardisierte Kommunikationstechnologie auf den Plan mit dem Ziel, dieses ‚Netzwerk-Sammelsurium‘ abzuschaffen. Bereits seit 2012 arbeitet die IEEE-TSN Task Group an der Standardisierung von Echtzeit-Funktionalität in Ethernet. Gegenwärtig bezeichnet der Begriff TSN eine Reihe von IEEE-802-Ethernet-Substandards, die verschiedene Mechanismen für verbesserte oder sogar garantierte Echtzeit-Zustellung von Ethernet-Verkehr beschreiben (siehe Tabelle).

Vorrangig definiert TSN den ersten IEEE-Standard für zeitgesteuerte Nachrichtenweiterleitung in einem Switched Ethernet-Netzwerk und somit deterministische Echtzeit-Kommunikation innerhalb der Normenreihe 802, indem es eine globale Zeitbasis und einen Zeitplan nutzt, der für Nachrichtenpfade über mehrere Netzwerk-Komponenten hinweg erstellt wird.

Jeder Switch entlang des Nachrichtenpfades teilt eingehende Nachrichten anhand der QoS-Klassifikation verschiedenen Queues am Ausgangs-Port zu. Mittels der globalen Zeit und des gemeinsamen Zeitplans leitet ein im Switch integrierter ‚Time-Aware Shaper‘ die Nachrichten zum vorgegebenen Zeitpunkt weiter. Durch die Definition dieser Vorgehensweise stellt TSN eine begrenzte maximale Latenz für diese Nachrichten in jeder einzelnen Komponente im Netzwerk und dadurch auch quer durch ein komplexes Netzwerk sicher. Die neue zeitgesteuerte Funktionalität kann grundsätzlich durch die Software-Unterstützung in den Endgeräten und TSN-kompatible Switches erreicht werden. Bestehen allerdings höhere Anforderungen an die zeitlichen Garantien (unterhalb von Millisekunden), dann ist Unterstützung durch die Hardware sowohl in den Endgeräten als auch Switches notwendig. Somit bietet TSN auch bei Steuerungsanwendungen mit streng deterministischen Anforderungen eine Möglichkeit, zeitkritischen Verkehr über eine Standard-Ethernet-Infrastruktur zu senden. Dies ermöglicht die Konvergenz aller Verkehrsklassen und multipler Anwendungen in einem Netzwerk.

Im Switch werden TSN-Nachrichten als Teil von geplanten Queues weitergeleitet, was garantierte Latenz in konvergierten Netzwerken ermöglicht.

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Entscheidend ist: TSN ist zu herkömmlichen IT-Netzwerken vollkommen kompatibel, weil es nur auf dem OSI-Layer 2 zusätzliche Mechanismen für Echtzeit-Übertragung von Nachrichten definiert, ohne die höheren Layer zu verändern. Damit sind alle auf Ethernet-Standards basierenden, höheren Kommunikationsprotokolle und Datenrepräsentationsmechanismen in der Lage, von den Echtzeit-Garantien von TSN zu profitieren. Mit anderen Worten: Wie beispielsweise ein Ventil oder ein Motor konfiguriert, parame­triert, in Echtzeit angesteuert und über das Netzwerk diagnostiziert wird – all diese Funktionen sind in höheren Netzwerkschichten und meist auf Layer 7 definiert und können dank TSN im Bedarfsfall in garantierter Echtzeit über das Netzwerk laufen, ohne dass sich die Dateninhalte oder Methoden zur ihrer Beschreibung ändern.

Bis dato wurde die Übernahme von deterministischen Ethernet-Standards vor allem von Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie vorangetrieben, wo Ethernet zunehmend als Backbone für die Verbindung verschiedener Steuerungssysteme in Fahrzeugen Verwendung finden soll. Ausgehend von der ursprünglichen Entwicklung von SAE AS6802 Time-Triggered Ethernet im Jahr 2006 für das NASA-Raumfahrzeug Orion (erster Testflug 2014) hat TTTech zeitgesteuertes deterministisches Ethernet in einer Reihe von Anwendungen für Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und industrielle Zwecke eingesetzt.

Aus dieser Position heraus übernimmt TTTech nun auch eine aktive Rolle bei der Unterstützung der Standardisierung von Kernmechanismen der dahinterstehenden Prinzipien in IEEE TSN. Zu ihnen gehören netzwerkbasierte Taktsynchronisierung, Zeitplanung sensibler Ressourcen und Redundanzmanagement als Plattformservice. Mittlerweile beobachten aber auch industrielle Anbieter und Anwender diese Entwick­lungen sehr genau. Dies ist nicht ­verwunderlich, da die Migration von Netzwerk-Technologien von einem Sektor zum anderen – sobald einander ergänzende Lösungen und Vorteile für alternative Anwendungen erkennbar werden – an sich nicht neu ist. Ein Beispiel dafür ist der CAN-Feldbus: Anfänglich für die fahrzeuginterne Kommunikation entwickelt, hat dieser in der industriellen Automatisierung breite Anwendung gefunden. Begünstigt wurde der Übergang nicht zuletzt durch kommerzielle Faktoren wie die produktionsumfangbedingten Kosten- und Qualitätsvorteile in der Automobilindustrie. Sie führten letztendlich zur Verfügbarkeit preisgünstiger CAN-Con­troller und -Prozessoren gleichermaßen für industrielle Anwender.

Bei dem Thema deterministisches Ethernet lässt sich dieser Prozess erneut beobachten. Die IEEE Task Group, die sich anfangs mit der Standardisierung von 802.1 AVB (Audio-Video Bridging) für Anwendungen in Fahrzeugen befasst hat, ist der Vorläufer der IEEE TSN Task Group, welche nun an der Schaffung eines entsprechenden Standards für industrielle Zwecke arbeitet. Und vor dem Hintergrund, dass gegenwärtig die genannten TSN-Mechanismen in der Automobiltechnologie beispielsweise bei Parkassistenten und beim autonomen Fahren implementiert werden, können industrielle Anwender davon ausgehen, dass TSN-Lösungen im Vergleich zu bestehenden Lösungen zu attraktiven Preisen auf den Markt kommen werden.

TSN am Beispiel Roboterzelle

Als Beispiel zur Veranschaulichung der Vorteile von Ethernet TSN mag eine diskrete Automatisierungsanlage mit mehreren Robotern dienen. Heute werden diese Roboter lokal gesteuert, mit eingeschränkter Synchronisierung untereinander und Engpässen beim Datenzugang jenseits der Werkshalle. Wenn Konnektivität existiert, wird sie – wie bereits angedeutet – entweder über ­proprietäre Netzwerke oder Gateways realisiert.

Während die gängigen Verfahren nur die Wahrscheinlichkeit einer geringen Verzögerung erhöhen, bietet TSN eine garantierte Obergrenze für den Einsatz in Echtzeitsystemen.

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Betrachten wir nun eine TSN-Verbindung zwischen diesen Robotern. Die Steuerungskommunikation über das Netzwerk ist in diesem Fall aufgrund der vorab beschriebenen Mechanismen auch bei einer Zusammenführung mit nicht-sensiblem Verkehr garantiert, und alle Roboter sind auf der gleichen globalen Zeitbasis synchronisiert. Indem sich auf diese Weise Steuerungsnetzwerke mit Datennetzwerken integrieren lassen, können viele Steuerungsfunktionen auch jenseits der Roboterzelle zusammengeführt werden, wo unter Umständen mehr Rechnerkapazität nutzbar ist. Von der anderen Seite her betrachtet sind jetzt enorme Datenmengen von den Robotern auch ohne Gateways für Netzwerke auf höheren Ebenen sichtbar, was Geschäftsmodelle wie ‚Machine as a Service‘ (Maschinen-Leasing inklusive Produktivitäts- und Wartungsgarantien) ermöglicht. Letztendlich vereinfachen sich Service und Wartung auf der Seite der Maschinenhersteller und der Investitionsaufwand für Endanwender sinkt.

Auch hier gilt: Weil die deterministischen Ethernet-Technologien von TSN auf Layer 2 des OSI-Modells agieren, sind sie für Services auf höheren ­Layern völlig transparent. Ein gutes Beispiel für einen solchen Service, der durch Nutzung von TSN als ­Echtzeit-Netzwerkplattform aufgewertet werden kann, ist OPC UA. Dabei handelt es sich um eine offene, her­steller- und anwendungsunabhängige Datenmanagement-Plattform für industrielle Steuerungssysteme, die eine serviceorientierte Kommunikation zwischen industriellen SCADA-Systemen, MES-Systemen, Feldanwendungen und Werksanwendungen über standardmäßige TCP/IP-Kanäle ermöglicht.

OPC UA zielt insbesondere auf die Offenheit zwischen IT und der operativen Welt und eignet sich darum ideal für Anwendungsfälle von Industrie 4.0 in Bereichen wie der Kommunikation zwischen Cloud und Maschine oder Cloud und Fabrik, wo andere Plattformlösungen Schwächen aufweisen. Zwar bietet OPC UA Services wie Verschlüsselung, sichere Authentifizierung, Browsing, Dienste-Suche, historische Funktionen und Datenprotokol-lierung; Stand heute mangelt es dieser Technologie jedoch an Echtzeit-Fähigkeiten für Machine-to-Machine- und Machine-to-Fog-Kommunikation (wenn für mehrere Maschinen eine gemeinsame Steuereinheit in der Produktionslinie Koordinations- und Diagnose-Aufgaben in Echtzeit durchführen soll, dann ist hierfür ein entsprechend echtzeitfähiges Netzwerk notwendig!) sowie für das Datenmanagement.
 

OPC UA über TSN

Dieses Manko soll die Einführung des Pub/Sub-Modells (Publish/Subscribe) beheben. Gegenwärtig nutzt OPC UA eine Client-Server-Architektur für die Datenakquisition mit einem festen asynchronen Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsmodus. Pub/Sub hingegen versetzt Anwender in die Lage, einen festen Zeitrahmen für den Datenaustausch über eine Multipoint-UDP-Verbindung zu definieren. Der Wechsel von Client-Server zu Multicast ermöglicht somit den Zugriff auf Daten und deren Übermittlung über mehrere Maschinen hinweg.

Hierfür benötigt OPC UA Pub/Sub ein Netzwerk, das die deterministische Kommunikation dieser Echtzeit-Daten garantieren kann. Herkömmliche industrielle Ethernet-Protokolle sind zwar hierfür konzipiert, es mangelt ­ihnen jedoch im Vergleich zu Standard-Ethernet als typischer Betriebsgrund­lage von OPC UA an Flexibilität. Anders bei TSN: Es erfüllt die Forderung nach garantierter deterministischer Kommunikation und bietet als Teil des IEEE-Ethernet-Standards auch die gleiche Flexibilität, wie OPC-UA-Anwender sie heute gewohnt sind. Insofern stellt die Kombination von OPC UA Pub/Sub und TSN eine ideale Kommunikationsplattform für Indus­trie 4.0 dar.

Vor diesem Hintergrund hat sich in der OPC Foundation eine Gruppe von Unternehmen formiert, um die Evaluierung von OPC UA über TSN für die Maschine-zu-Maschine-Kommunika­tion voranzutreiben. Dieser Gruppe gehören unter anderem die Firmen Ascolab, B&R, Beckhoff Automation, Bosch Rexroth, Deutsche Telekom, Festo, Harting, Hirschmann Automation & Control, Kuka, National Instruments, Sigmatek, Trumpf und TTTech an. Letztere hat bereits ein Starterkit auf den Markt gebracht, welches Anwendern und Entwicklern die Evaluierung von TSN in Kombination mit OPC UA Pub/Sub ermöglicht.

Zusammengefasst: Mit TSN werden die deterministischen Eigenschaften von Feldbussen mit einer IEEE-standardisierten Echtzeit-Ethernet-Kommunikationslösung umgesetzt. Allgemein betrachtet kann TSN dementsprechend eine Vielzahl der heutigen Aufgaben von Feldbussen abdecken. Das Ersetzen von Feldbussen mit einem standardisierten deterministischen Ethernet führt zu einer Reihe von Vorteilen: Ethernet ist kostengünstig, schnell, flexibel, sicher und einfach zu bedienen. An erster Stelle steht jedoch die Möglichkeit, die verschiedenen in einer Fabrik eingesetzten Netze durch eine gemeinsame Technologie zu integrieren und Insellösungen zu ersetzen.

Dadurch ergeben sich nicht nur weitere Kostenvorteile, sondern auch die Möglichkeit, das System mit einheit­lichen Werkzeugen für Planung, Optimierung und Wartung zu betreiben.

Dies bedeutet jedoch nicht das Ende der Verwendung von Feldbussen, da diese mit spezialisierten Funktionen weiterhin in abgegrenzten Anwendungsfällen einsetzbar sind. Somit werden auch in Zukunft gemischte Architekturen mit TSN-Ethernet und Feldbus-Verbindungen Verwendung finden. Oder anders ausgedrückt: TSN ergänzt entscheidende Funktionen für die Automatisierung und wird daher die Verbindung der Ethernet-basierenden IT-Welt und Automatisierungstechnologie weiter beschleunigen.

Autor: Markus Plankensteiner ist Director Sales & Marketing Industrial bei TTTech.