Die Avnu Alliance ist eine Gemeinschaft mit folgendem selbstgesetztem Anspruch: Sie will ein interoperables Ökosystem schaffen, das die präzisen zeitlichen und latenzarmen Anforderungen verschiedener Anwendungen mit offenen Standards durch Zertifizierung erfüllt.  In diesem Zusammenhang versucht sie eine herstellerübergreifende Interoperabilität des Kommunikationsduos TSN und OPC UA zu unterstützen. 

Das Generieren eines Zertifizierungsprozesses ist hierfür sicherlich der erste Schritt. Geräte-Anbieter fordern allerdings zudem eine ‚One-Stop-Shop‘-Zertifizierung, also die Möglichkeit, von einer einzigen Stelle ihr Produkt komplett testen und zertifizieren zu lassen – in Bezug auf TSN, OPC UA und auf die darüberliegenden Geräteprofile. Gleichzeitig sollen mehrere unabhängige Zertifizierungsanbieter ihre Dienstleistung zu wettbewerbsfähigen Preisen offerieren und idealerweise alle globalen Hot Spots der Automatisierung abdecken. Wie können diese Anforderungen an die Zertifizierung in der neuen Ära der globalen Standards unter einen Hut gebracht werden?  

Time Sensitive Networking (TSN), von der IEEE in der Working Group 802.1 definiert, beschreibt die aktuell letzte Evolutionsstufe in der über dreißigjährigen Entwicklung der Ethernet-Standards: nicht modifiziertes, also ‚pures‘ Ethernet ermöglicht nun auch eine deterministische, zeitlich hochpräzise synchronisierte Kommunikation im Netzwerk. Somit ist Ethernet auch unter Echtzeit-Bedingungen geeignet, wie insbesondere bei Steuerungsaufgaben. Dadurch ermöglicht TSN die Konvergenz von kritischem Datenverkehr – etwa für Steuerungsaufgaben –  mit anderen Traffic-Arten über eine gemeinsame Infrastruktur ohne herkömmliche Protokoll-Gateways mit ihren bekannten Einschränkungen und Nachteilen. 

Während die Echtzeit-Domäne bisher in herstellergetriebenen Standards, den sogenannten Ethernet-basierten Feldbussen, abgedeckt wurde, wird die Konvergenz unterschiedlicher Traffic-Arten – friktionsfrei durch die gesamte Automatisierungspyramide – erst durch TSN möglich, was gerade in Anbetracht der für Industrie-4.0- und Industrial-IoT-Anwendungen erforderlichen Datendurchgängigkeit als echter Durchbruch gesehen werden kann.

Zertifizierung – keine Aufgabe des IEEE

Die Rolle der Avnu Alliance im Ökosystem der TSN-Zertifizierung.

© Avnu Alliance

Wie lassen sich diese technologischen Möglichkeiten nun für die Förderung eines breiten, Herstellergrenzen überwindenden Ökosystems interoperabler Komponenten nutzen? Eine zentrale Rolle dabei spielen Interoperabilitätstests und die Zertifizierung. Die IEEE beschränkt ihre Rolle traditionell auf die Bereitstellung branchen-unabhängiger Standards – hier sind also andere Organisationen gefordert. 

TSN Testbeds wie jenes des IIC (Industrial Internet Consortium) bieten durch ‚Plugtests‘ die Möglichkeit, Prototypen frühzeitig auf Interoperabilität zu überprüfen und erste Probleme rasch zu erkennen. Inzwischen sind weitere TSN Testbeds mit regionalen Schwerpunkten wie etwa das LNI (Labs Network Industrie 4.0, Fokus auf KMUs) in Deutschland oder das TSN + OPC UA Testbed in China hinzugekommen. Das systematische und vollständige Testen hinsichtlich Konformität unter ‚Real-Life‘-Bedingungen sowie die formelle Zertifizierung kann durch Testbeds allerdings nicht ersetzt werden. 

Das Füllen dieser Lücke, also der Sicherstellung der Interoperabilität von TSN, hat sich die Avnu Alliance zur Aufgabe gemacht. Avnu entwickelt Testpläne für Konformitätstests, die ermöglichen, Interoperabilität auf Netzwerk-Ebene sicherzustellen. Die Testpläne dienen dazu, Endgeräte, Infrastrukturkomponenten (Switches) und Halbleiter hinsichtlich Konformität mit den entsprechenden TSN Standards zu überprüfen.

Erste Testpläne

Beginnend mit dem Standard für Uhrensynchronisation (802.1AS) als Grundlage für alle TSN-Geräte, hat die Avnu Alliance erste Testpläne auf der SPS IPC Drives 2017 veröffentlicht und arbeitet derzeit intensiv daran, diese Pläne auf andere TSN-Standards auszudehnen. Rückgrat für diese Arbeiten sind die Mitgliedsunternehmen, unter denen sich namhafte Player aus dem Halbleitergeschäft, der IT und der Automatisierung wie etwa Analog Devices, Belden Hirschmann, Broadcom, Cisco, General Electric, Hilscher, Intel, Microchip, Mitsubishi Electric, National Instruments, NXP, Renesas, Rockwell Auto­mation, Schneider Electric, TTTech und Xilinx wiederfinden.

Zu sehen war die Rolle der Avnu im TSN-Ökosystem auf der SPS IPC Drives 2018: Auf dem Gemeinschaftsstand mit dem ISW Stuttgart und dem IIC zeigte Avnu ein Conformance Testing Tool als Proof-of-Concept sowie ein automatisiertes, Linux-basiertes Testwerkzeug für Konformitätsprüfungen von 802.1AS. Letz- teres lässt sich in Verbindung mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Testgeräten von Low-End bis High-Performance einsetzen. Ein automatisch generierter Ergebnisbericht kann zum Beispiel von Testhäusern und Feldbus-Organisationen im Rahmen der selbstständigen Durchführung von Tests genutzt werden. So soll das Avnu-Test-Framework die gesamte Durchlaufzeit für Konformitätstests reduzieren und ein einfacheres Testen ermöglichen. 

Die bisherigen Darstellungen adressieren Interoperabilität auf Layer 2 des OSI Schichtenmodells. Ist also zunächst einmal sichergestellt, dass die zugrundeliegende Netzwerk-Schicht interoperabel ist, gilt es, die Aufmerksamkeit auf die höheren Schichten zu lenken. 

Zahlreiche Organisationen, wie etwa die OPC Foundation und die unterschiedlichen Feldbus-Organisationen, stellen Standards auf Applikationsebene bereit, die sich für die Kombination mit TSN eignen. OPC UA über TSN, das von der OPC Foundation in einer neuen Initiative auch für den Einsatz auf Feldebene vorangetrieben wird, ist ein prominentes Beispiel für eine solche Kombination und wird inzwischen von beinahe allen großen Automatisierungsanbietern aktiv unterstützt. 

Standards auf Applikationsebene

Die Avnu Alliance stellt derartigen Organisationen Testpläne zur Verfügung, um ihnen zu ermöglichen, TSN-Konformitätstests mit den Prüfungen auf Ebene der Applikationsschicht zu kombinieren. Das klare Ziel ist schließlich, dass Geräteherstellern ein ‚One-Stop-Shop‘ für die Zertifizierung der gesamten Kommunikationsschicht zur Verfügung steht und dass diese keinen Einschränkungen in der Wahl des passenden Testhauses unterliegen. 

Wird die Automatisierung also die Zukunft der Avnu Alliance dominieren? Nicht nur die Automatisierung, sondern auch andere Branchen wie etwa die Automobil-Industrie  (Bordnetzwerke) oder die Anbieter professioneller Audio-Video-Technik setzen zunehmend auf TSN. Avnu wird weiterhin auch diese Märkte mit seinen Leistungen adressieren. Gerade in Anbetracht der laufend steigenden Investments für neue Halbleitertechnologien sind branchenübergreifende Standards mit den daraus resultierenden Stückzahlen geeignet, die Verfügbarkeit von günstigen ASICs zu er- möglichen. Auch die Qualität der Testpläne und -werkzeuge, die auf TSN-Ebene nicht industriespezifisch sind, steigt mit unterschiedlichen Industrien und damit Use Cases.

Im Zeitalter der herstellerunabhängigen, globalen Standards wie TSN und OPC UA kann Konformität nur durch das kooperative Vorgehen der verschiedenen Standardisierungsorganisationen gewährleistet werden. Die technologischen Voraussetzungen sind gegeben – nun liegt es an den Organisationen und Unternehmen, der Erwartung des Marktes gerecht zu werden.

Autor:
Georg Kroiss ist Business Development ­Manager Industrial bei TTTech und Board Member bei der Avnu Alliance.