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 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.

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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.

TSN allein genügt nicht

Einer dieser Unterstandards ist der IEEE 802.1Qcc, der die Stream-Reservierung bei TSN beschreibt. Am Beispiel der Ameisen-Kolonie lässt sich das anschaulich erklären: Viele Arbeiterinnen müssen gleichzeitig Baumaterial oder auch Nahrung innerhalb des Ameisenhügels transportieren, ohne sich gegenseitig zu behindern und damit wertvolle Zeit beim Aufbau der Kolonie zu verlieren. Auf das industrielle Netzwerk beziehungsweise die darin übertragenen Daten bezogen gelingt dies, indem bei TSN mehrere – nun auch echtzeitfähige – Protokolle auf unterschiedlichen Bahnen (sogenannte Streams) aber auf ein und derselben Leitung parallel zueinander kollisionsfrei transportiert werden. Für die Stream-Reservierung gibt es drei verschiedene Konfigurationsmöglichkeiten – dezentral, zentral oder zentral mit verteiltem Ansatz.

Im Folgenden wird auf die häufigste Variante – die dezentrale Konfiguration – eingegangen: Zunächst registrieren Endgeräte, die Daten ins Netzwerk senden wollen, ihre Streams über ein sogenanntes UNI-Interface (User-Network-Interface) an ihrem Netzwerk-Anschluss. Diese Registrierung wird über Netzwerk-Komponenten an alle potenziellen Endgeräte im Netzwerk weiterverteilt. Diese Endgeräte reservieren über ihr UNI-Interface die Netzwerk-Anschlüsse derjenigen Streams, welche sie empfangen möchten. Bei TSN werden die Sender-Endgeräte als ‚Talker‘ und die Empfangs-Endgeräte als ‚Listener‘ bezeichnet. Jede Netzwerk-Komponente beziehungsweise ‚Bridge‘ im Datenpfad zwischen Listener und Talker stellt sicher, dass die Netzwerk-Ressourcen für die angeforderten Streams ausreichen, dafür zugeordnet sind und alle bereits übertragenen Streams fortgeführt werden können.

Während bei OPC UA Client/Server immer eine 1-zu-1-Beziehung besteht und für jede zusätzliche Kommunikation eine weitere Verbindung notwendig ist, werden bei OPC UA PubSub alle Teilnehmer gleichermaßen mit Daten versorgt.

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Stream-Reservierung ermöglicht also Echtzeit-Fähigkeit im Medium. Für die Kommunikation bietet dies aber erst dann einen Vorteil, wenn auch das Transportprotokoll selbst echtzeitfähig ist. In den Standardisierungsgremien der IEEE, IEC und OPC Foundation hat man sich in der Automatisierung zunächst auf OPC UA im Allgemeinen verständigt – und zwar ab der Steuerungsebene. OPC UA wurde vor einigen Jahren durch die OPC Foundation spezifiziert und vereint die bis dahin existierenden OPC-Protokolle OPC DA, OPC HDA sowie OPC A/E. Unter anderem dient OPC UA zum Austausch zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller beziehungsweise für die vertikale Kommunikation.

Bei diesem Protokoll – oft auch mit dem Zusatz Client/Server versehen – kommen TCP/IP-Mechanismen zur Anwendung, die jedoch einen entscheidenden Nachteil besitzen: Sie sind nicht echtzeitfähig. Das liegt an dem Verfahren selbst: Nachdem der Sender seinen Datenframe übermittelt hat, wartet er auf die Bestätigung durch den Empfänger, bevor das nächste Datenframe losgeschickt wird. Je nach Beanspruchung des Netzwerks ist also nicht genau vorhersagbar, wann die Empfangsbestätigung beim Sender eintrifft und somit kann keine Echtzeit-Vorhersage getätigt werden.

Mit OPC UA PubSub wurde daher ein weiteres Protokoll eingeführt, das diesen Nachteil kompensiert. Bei OPC UA PubSub sendet ein Publisher kontinuierlich Daten in ein TSN-Netzwerk, welche an die Subscriber im selben TSN-Netzwerk verteilt werden. Die Tatsache, dass der Sender (Publisher) immerfort Daten ins Netzwerk übermittelt, ohne auf irgendwelche Rückmeldungen vom Empfänger zu warten, macht dieses Verfahren schneller. Die Kombination aus echtzeitfähiger Kommunikationstechnologie TSN und echtzeitfähiger Sprache OPC UA PubSub ermöglicht es letztendlich – basierend auf allgemein verfügbaren Standards – echtzeitfähige Anwendungen im industriellen Umfeld zu realisieren.

Zwar hat Profibus & Profinet International (PI) mit der Spezifikation V2.4 von Profinet auf der Feldebene bereits ein echtzeitfähiges Protokoll im Zusammenspiel mit TSN spezifiziert; trotzdem wird es noch Jahre dauern, bis in der Feldebene entsprechende Produkte sowie ein gesamtes Ecosystem auf Basis von Profinet mit TSN zur Verfügung stehen. Die weiteren Ausführungen fokussieren daher auf OPC UA PubSub mit TSN und damit die Steuerungs- und Bedienerebene. 

Eine der Anwendungsmöglichkeiten von TSN und OPC UA PubSub ist die echtzeitfähige Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, wie sie bei Siemens bereits anhand einer Demo-Applikation umgesetzt wurde. Zwei Roboter einer typischen Maschine-zu-Maschine-Applikation bewegen sich synchron zueinander. Jeder Roboter ist an einer Simatic-Steuerung angebunden und kommuniziert mit dieser über Profinet. Die Synchronisation zwischen beiden Robotern erfolgt durch die beiden Simatic-Kommunikationsprozessoren (Taker und Listener), die mit der Steuerung verbundenen sind. Der Talker-Kommunikationsprozessor sendet ständig Synchronisationsdaten ins Ethernet-Netzwerk, die vom Listener-Kommunikationsprozessor empfangen werden. Zur späteren Verdeutlichung der Echtzeit-Fähigkeit bei TSN wurde eine HD-Kamera verwendet, die im selben Netzwerk parallel zur M2M-Kommunikation Video-Streams verzögerungsfrei am Monitor dargestellt.

Echtzeitfähige M2M-Kommunikation

Der Talker- und der Listener-Kommunikationsprozessor bauen bei besagter Demo-Applikation über standardisierte IEEE-Protokolle eine Verbindung zu den zugehörigen TSN-Bridges (zum Beispiel Scalance X-Switches) auf. Dabei sendet der TSN-Talker eine Anfrage (Advertise) an die angebundene TSN-Bridge und erhält nach Aufbau eine Bestätigung (Ready) von dieser. Derselbe Vorgang wiederholt sich bei jedem angeschlossenen TSN-Listener. Wurde die Verbindung aller TSN-Teilnehmer erfolgreich aufgebaut, wird ein vordefinierter Stream über IEEE 1588v2 zwischen Talker, den in der Linie befindlichen TSN-Bridges und den Listener zeitgestempelt eingerichtet. Das TSN-Netzwerk ist somit angelegt.

Damit nun ein deterministischer Datenaustausch zwischen TSN-Talker und Listener stattfinden kann, wird OPC UA PubSub verwendet. Über dieses Protokoll sendet der TSN-Talker im vordefinierten Stream kontinuierlich Daten (Publisher), die von den TSN-Listenern empfangen werden (Subscriber). Das für den Betrachter sichtbare Ergebnis: Die an den TSN-Talkern und Listenern angebundenen Endgeräte (beispielsweise Roboter) zeigen ein zueinander synchronisiertes Verhalten. Um die kurzen Reaktionszeiten bei doch eher ‚schwerfälligen‘ mechanischen Komponenten genauer zu zeigen, werden die Positionsdaten beider Roboter ausgewertet und an einem Bildschirm angezeigt.

Robuste, zuverlässige und gesicherte industrielle ­Netzwerk-Komponenten sowie performante Netzwerk-Management-Software sind das ‚A und O‘ in der ­diskreten Fertigung und Prozessindustrie.

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Die Synchronisation wird selbst dann nicht gestört, wenn das Netzwerk mit Last beaufschlagt wird. Zur Beweisführung erfolgt bei der Demo-Applikation die Zuschaltung eines Lastgenerators, der das Netzwerk mit einer großen Datenmenge vergleichbar mit der kontinuierlichen Übertragung von HD-Video-Filmen ‚flutet‘. Resultat ist: Sämtliche Kommunikation im Netzwerk mit Ausnahme der Kommuni-kation von TSN-Talker und Listener kommt zum Erliegen. Ersichtlich ist dies 
an der angeschlossenen HD-Kamera, deren Video-Streams an einem ebenfalls angeschlossenen Monitor nicht mehr ankommen – und das Monitorbild letztendlich ‚einfriert‘. Da jedoch der Datenaustausch von TSN-Talker und Listener über den vordefinierten Stream erfolgt, bleibt diese Kommunikation von der zusätzlichen Last unbeeinflusst. Ein echtzeitfähiger Produktivdatenaustausch ist damit auch unter ungünstigen Konstellationen gegeben. Um das Netzwerk zu jedem Zeitpunkt unter Kontrolle zu haben und rechtzeitig auf unerwünschte Effekte reagieren zu können, wird das TSN-Netzwerk zusätzlich über eine Netzwerk-Management-Software überwacht.

Die Realisierung einer echtzeitfähigen M2M-Kommunikation ist nicht neu und ließ sich bisher bereits mit Industrial-Ethernet-Mechanismen wie Profinet mit IRT-Funktionalität realisieren. Aber erst Ethernet mit TSN ermöglicht es, auf Basis einer weltweit akzeptierten Technologie Echtzeit-Fähigkeit zur Verfügung zu stellen. Und diese Akzeptanz ist der Grund, weshalb nun auch andere Technologien von den Vorteilen von TSN partizipieren können. Eine davon ist der neue Mobilfunkstandard 5G, der die sichere und zuverlässige Umsetzung zukunftssicherer Industrieanwendungen möglich macht. 

TSN und 5G – Zwei Technologien, die sich ergänzen

Mit dem neuen Mobilfunkstandard 5G werden zum Beispiel durch ultrakurze Latenzzeiten bis in den einstelligen Millisekunden-Bereich industrielle Applikationen wie mobile Roboter erst realisierbar.

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Unter dem Dach des Elektroindustrieverbandes ZVEI hat sich die sogenannten 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G ACIA) gegründet, die sich intensiv für die Verwendung von 5G auch in der Industrie einsetzt. Deutschland besitzt dabei einen Standortvorteil, da spezielle Industriefunkfrequenzen für private industrielle Netze verfügbar sind.

Solche privaten Industrial-5G-Netze tragen effizient unterschiedlichsten Anforderungsprioritäten Rechnung und öffnen die Tür zur umfassenden drahtlosen Vernetzung von Produktion, Instandhaltung und Logistik. Neben einer vollflächigen Abdeckung und hohen Datenraten spielen auch ultrakurze Latenzzeiten eine entscheidende Rolle für die Realisierung von Anwendungen wie mobile Roboter in der Fertigung, autonome Fahrzeuge im Transport- und Logistikbereich oder auch Virtual-Reality-Applikationen. Was liegt also näher als TSN und 5G miteinander zu kombinieren – TSN für echtzeitfähige drahtgebundene und 5G für echtzeitfähige drahtlose Netzwerke. Die Zukunft klingt vielversprechend und lädt dazu ein, sich auf Entdeckungsreise zu neuen Konzepten und Anwendungsfeldern begeben – wie Flugameisen, die zum Aufbau neuer Kolonien ausschwärmen.

Autor:
Manfred Wolf ist Marketing Manager bei Siemens.