Virtualisierte Steuerungen, allen voran virtuelle Speicherprogrammierbare Steuerungen (vPLCs), sind ein Schlüsseltrend für die Digitalisierung der Produktion und die Konvergenz von IT- und OT-Systemen. Um deren Vorteile – ein einfaches Management, Reduktion der Geräte, zentrale Verfügbarkeit der Produktionsdaten – auch nutzen zu können, müssen Herausforderungen hinsichtlich der Plattformen und Konnektivität zur Feldebene gelöst sein. Was die Plattform-Fragen betrifft, so macht die Konsolidierung von Echtzeit-Anwendungen kontinuierliche Fortschritte. In punkto Konnektivität ist vorherrschende Meinung, dass es immer noch jahrelanger Standardisierung und Entwicklung durchgängiger Kommunikationslösungen und vielleicht gar gänzlich neuer Feldgeräte bedarf. Zuwenig bekannt ist, dass bereits heute verfügbare Standardlösungen durchaus genutzt werden können.

Time-Sensitive Networking (TSN) wird branchenübergreifend als Schlüsseltechnologie für konvergente Echtzeitnetzwerke angesehen. Obwohl viele TSN-Standards noch in der Entwicklung sind, lassen sich mit Standardmitteln von TSN bereits heute verschiedene Varianten zur Feldanbindung lösen: Tunnel für klassische Feldbusse, TSN-Adaptionen von Feldbussen und nativ für TSN ausgelegte Protokolle. Und mit Hilfe einiger pragmatischer Konfigurationsansätze lassen sich diese sogar in einem gemeinsamen Backbone kombinieren.
Das am ISW entwickelte Konzept des TSN-Backbones ermöglicht folgende Topologie: Compute-Plattformen mit vPLCs sowie traditionelle PLCs auf der einen Seite und verschiedene Feldsegmente auf der anderen Seite werden über ein zentrales TSN-Netzwerk verbunden. Zwischen konkreten Switch-Ports auf der Feldseite und virtuellen Schnittstellen auf der Compute-Plattform für die vPLCs entstehen somit virtualisierte Feldbusnetzwerke.

Das Konzept des TSN-Backbones ist an einem Demonstrator praktisch validiert, welcher verschiedene Ansätze zur Feldkommunikation kombiniert: Über den Backbone sind parallel mehrere Profinet-Netzwerke, ein transparent getunneltes EtherCAT-Netzwerk, ein CC-Link IE TSN Netzwerk sowie eine OPC UA PubSub basierte Applikation realisiert – parallel zur Best-Effort-Kommunikation. Darüber hinaus ist auch erstmalig EtherCAT mit aktiver Stream Adaption umgesetzt und integriert.

Beim Demonstrator kommen fast ausschließlich industriell erprobte Komponenten zum Einsatz: Steuerungsseitig sind dies auf den PC-Plattformen containerisierte vPLCs von Codesys, zusätzlich physische SPSen mit Profinet- und CC-Link-IE-TSN-Schnittstelle von Siemens beziehungsweise Mitsubishi. Lediglich bei der EtherCAT Stream Adaption handelt es sich um eine prototypische Umsetzung. Feldseitig werden industrielle Standardkomponenten genutzt, beispielsweise I/O-Klemmen und Antriebe von Festo, Mitsubishi, B&R, Siemens und Beckhoff. Auch für die Compute- und Netzwerkinfrastruktur, inklusive Echtzeitbetriebssystem, wird auf am Markt verfügbare Komponenten zurückgegriffen unter anderem von Kontron, Moxa und SoC-e.

Das Applikations-Engineering erfolgt für die meisten Teilanwendungen völlig unabhängig vom transparent unterlagerten TSN. Die vPLCs sind als verschiedene Targets im Engineering-Tool verfügbar und lassen sich – exakt wie physische PLCs – mittels IEC 61131 programmieren.

Die Konfiguration von Plattformen und Netzwerk muss momentan noch manuell erfolgen, ist jedoch für Systeme in der Größenordnung einer Anlage mit 10 PLCs gut lösbar. Eine Automatisierung dieser Aufgabe ist Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung.

ISW auf der SPS 2024: Halle 6, Stand 340