Die industrielle Automation gehört zu den operativen Technologien (Operation Technology – OT) einer Fabrik, in der heute Feldbusse und Echtzeit Ethernet eingesetzt werden. Diese beruhen auf IEEE-802.1- und IEEE-802.3-Ethernet-Elementen die für die notwendige Echtzeit-Fähigkeit mit IEC-Standards ergänzt wurden. Die Systeme (Profinet, Sercos III, Ethercat) sind untereinander nicht interoperabel.

Die bisherige (links) und die zukünftige Automatisierungsarchitektur mit den entsprechenden Applikations- und Kommunikationseigenschaften.

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Für die Vernetzung auf den höheren funktionalen Ebenen einer Fabrik werden IT-Technologien wie Ethernet und TCP/IP verwendet, welche nach dem Best-Effort-Prinzip arbeiten. Die Kopplung zur Feldebene erfolgt über Gateways. Die Konfiguration von Kommunikationsbeziehungen und die Zuordnung von Variablen zwischen Kommunikationssystemen und Applikationen erfolgt manuell und statisch.

Für Industrie-4.0-Applikationen wird eine durchgängige Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud gefordert, die flexibel ist und eine stoßfreie Rekonfiguration während der Laufzeit zulässt. Die Architektur, welche dies leisten soll, wird als Industrial Internet of Things (IIoT) bezeichnet und löst die hierarchisch organisierte Automatisierungspyramide ab. IEEE 802.1 Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking) wird dabei als Kandidat für die Kommunikations-Infrastruktur gesehen, welche dies leisten kann, da verschiedene zeitsensitive und nichtzeitsensitive IT- und OT-Protokolle gleichzeitig das Netzwerk nutzen können. Neben der angestrebten IT/OT-Konvergenz ermöglicht Ethernet TSN Flexibilität (stoßfreie Re-Konfiguration) und eine skalierbare Kommunikationsleistung mit Bandbreiten von 10 Mbit/s bis 10 Bit/s.

Es handelt sich bei Ethernet TSN im Wesentlichen um neue beziehungsweise erweiterte IEEE-802.1-Ethernet-Bridging- Standards. Verschiedene Interessensgemeinschaften und Nutzerorganisationen kombinieren Ethernet TSN mit Kommunikationsprotokollen sowie Methoden der Gerätemodellierung und Konfiguration zu Gesamtlösungen. Beispiele sind die Profibus Nutzerorganisation (Profinet over TSN), Sercos International (Sercos over TSN), die OPC Foundation (OPC UA mit TSN) oder die CPLA (CC-Link IE TSN).

Um dem Anwender eine praktikable Lösung zu bieten, werden aus diesen IEEE-802.1-Standards einzelne Mechanismen ausgewählt (Preemption, Traffic Shaper, Link Speeds) und Ressourcen festgelegt (Anzahl der Stream-Einträge, Speicher, Latenzzeit, Queues, Zeitstempel-Auflösung). Um eine Konvergenz einer Lösung für die industrielle Automation zu gewährleisten, arbeiten die IEEE und die IEC an einem gemeinsamen TSN-Profil (IEC/IEEE 60802 TSN-IA), welches die TSN-Mechanismen und Ressourcen für das Anwendungsfeld der industriellen Automation definieren und auf das die Protokolle dann aufsetzen können. Durch Ethernet TSN soll die Netzwerk-Technik in der industriellen Automation also einheitlicher und damit interoperabel werden. Ein homogenes Profil kann aber aufgrund der Einsatzbreite vom Sensor bis in die Cloud nicht erreicht werden, da eine anforderungsgerechte Abdeckung der unterschiedlichen Einsatzgebieten entsprechend ausgeprägte Komponenten erfordert: So geht eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit (Bandbreite) heute zumeist mit einer höheren Verlustleistung einher, was wiederum Einflüsse auf Baugröße, Geräteschutzklassen und auch Herstellungskosten hat. Darum ist der Planung von Ethernet-TSN-Netzwerken ein besonderes Augenmerk zu schenken.

Die IT- und OT-Netzwerk-Planung

Was ist bei der Planung eines Ethernet-TSN-Netzwerkes anders als bei einer reinen IT- oder OT-Netzwerk-Planung?

Bei einer IT-Netzwerk-Planung werden auf Basis von Anforderungen eine Topologie und Gesamtarchitektur, ein Sicherheitskonzept, die Dienstgüte (QoS), ein Adressierungsschema und Verfügbarkeitskonzepte festgelegt. Die Netzwerke stellen aber grundsätzlich nur eine Kommunikation nach dem Best-Effort-Prinzip oder mit einfachen Prioritätsklassen zur Verfügung. So sind Anwendungen, die TCP/IP nutzen, in der Regel elastisch und nutzen die Bandbreite, die verfügbar ist. Andere Anwendungen, wie etwa Multimedia, erfordern eine gewisse minimale Bandbreite. Das macht eine Planung vergleichsweise einfach, da die Datenströme für die einzelnen Anwendungen gar nicht oder nur grob geplant werden müssen.

Bei einer OT-Netzwerk-Planung sind die Anforderungen wie Rechtzeitigkeit sowie hohe Verfügbarkeit der Datenübertragung zu beachten. Die erforderlichen Ressourcen müssen also während der Netzwerk-Planung richtig dimensioniert werden. Die klassische zyklische Prozesskommunikation mit Feldbussen  zwischen einer Steuerung und dezentralen Feldgeräten in einer Funktionseinheit macht es dem Anwender leicht: Es sind wenige Angaben notwendig, wie die Topologie, die Anzahl der Teilnehmer, die Datenmenge pro Teilnehmer und die minimale Zykluszeit, um eine Netzwerk-Planung durchzuführen. Für den sicheren übergreifenden vertikalen und horizontalen Kommunikationsbedarf werden diese Funktionseinheiten dann über Gateways miteinander gekoppelt. Diese Art der Planung ist einfach und pragmatisch, bei Änderungen oder Anpassungen einer Maschine oder Anlage in deren Lebenszyklus aber unflexibel.

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Daher sollen diese Netzübergänge mit ihren manuellen Konfigurationsbedarfen im IIoT entfallen und die oben bereits erwähnte einfache und rekonfigurierbare Vernetzung ermöglichen. Ethernet TSN ist dafür ein Lösungsansatz, da dessen Protokolle durchgängig und konvergent in einem Netzwerk genutzt werden können. Durch die beschriebenen Ausprägungen von Komponenten für Ethernet TSN (Bandbreiten, Pufferspeicher, Port-Anzahl, Cut-Through, Traffic Shaper und Preemption) und einer freien Topologiewahl (Linie, Stern, Ring) kann TSN sehr gut an die Anforderungen angepasst werden. Da die einzelnen Datenströme bei TSN explizit konfiguriert werden müssen und die TSN-Komponenten unterschiedliche Fähigkeiten haben können, werden die Konfiguration und die Planung komplexer.

Das Netzwerk-Teil des Zwillings

Dem interoperablen Austausch von Informationen zwischen Lebenszyklusphasen von Maschinen und Anlagen, die automatisch interpretierbar sind, werden allgemein große Potenziale für Effizienzsteigerung und Flexibilisierung zugesprochen. Bereits heute entstehen über den Lebenszyklus Daten und Modelle, zum Beispiel CAD- und Simulationsmodelle, Konfigurationen für Maschinen oder Optimierungen des Ressourcenverbrauchs. Diese liegen jedoch in unterschiedlichen Datenformaten mit unterschiedlicher Datenstruktur und in unterschiedlichen Werkzeugen vor. Zukünftig soll ein Digitaler Zwilling die ganzheitliche Sicht auf Produkte und Produktionssysteme entlang ihres Lebenszyklus ermöglichen. Im it’s OWL-Leitprojekt ‚Technische Infrastruktur für Digitale Zwillinge‘ werden unter der Koordination vom Fraunhofer IOSB-INA solche Systeme entwickelt und erprobt.