In Kombination mit Profinet können Time Sensitive Networks (TSN) ein Game Changer in der Automatisierung sein. Allerdings sind dazu die folgenden Fragen zu beantworten: Welche neuen Applikationen und Lösungen werden ermöglicht? Wie tragen TSN-Standards dazu bei? Wie sieht die Migration dahin aus? Und wie geht es mit der Technologie in Zukunft weiter?

Neue Technologien erweisen sich immer dann als erfolgreich, wenn sie neue Anwendungen mit großen Vorteilen realisierbar machen. Eine dieser neuen Anwendungen ist der Einsatz von künstlicher Intelligenz in der Automatisierung. Nutzbare Rechenleistung und Werkzeuge, die sich beispielsweise für maschinelles Lernen, Bilderkennung oder Data Mining verwenden lassen, werden stetig preisgünstiger und einfacher anwendbar. ChatGPT ist dafür ein gutes Beispiel. Es wird erwartet, dass diese Entwicklung mit hoher Geschwindigkeit weiter voranschreitet.

Welche Anforderungen stellt der Einsatz von KI daher an die Automatisierung und Vernetzung? Folgende Punkte sind zu beachten:

• Es müssen große Datenmengen aus dem Feld zur KI transportiert werden.
• Das Ergebnis der KI-Operation wirkt sich auf den zu steuernden Prozess aus.
• Hochgenaue Uhrzeitsynchronisation ist essenziell zur Verarbeitung und Auswertung von verteilten Daten aus der Feldebene.

Als optimal zeigt sich ein Konzept, bei dem all diese Anforderungen in einem einzigen Netzwerk erfüllt werden können. Profinet stellt mit TSN die Lösung dar.

Der Status Quo

Die beschriebenen Anforderungen werden mittlerweile meistens in getrennten Netzwerken umgesetzt (Bild 1). Als Beispiel sei eine Kamera-Applikation zur optischen Anomalie-Erkennung mittels KI-Werkzeugen genannt. Zu diesem Zweck ist mindestens eine Gigabit-Infrastruktur notwendig. Aktuell verbreitete Feldbussysteme basieren aber oftmals nur auf einer Übertragungsrate von 100 MBit/s und lassen sich deshalb nicht für den Transport dieser Datenmengen verwenden. Eine hochgenaue Uhrzeitsynchronisation steht derzeit ebenfalls nicht in IT-Netzwerken und Systemen wie Profinet RT zur Verfügung. Aus diesem Grund werden häufig getrennte Netzwerke für den jeweiligen Zweck installiert. Eine Trennung hat zwar den Vorteil, dass per Prinzip kein negativer Einfluss der IT-Kommunikation auf die Echtzeitfähigkeit möglich ist. Demgegenüber ergeben sich jedoch Nachteile wie Aufwand und Kosten für die Installation, Wartung und Inbetriebnahme von getrennten Systemen für Feldbus, IT und Synchronisation. Außerdem sind zukünftige Erweiterungen oder Änderungen – wie etwa der nachträgliche Einbau neuer Geräte – nicht oder lediglich aufwendig realisierbar.

Bild 2. TSN ermöglicht die Integration von Feldbus und IT in einem gemeinsamen Netzwerk.

© Phoenix Contact

Das Beispiel zeigt, dass ein erhebliches Verbesserungspotenzial darin liegt, sämtliche erforderlichen Funktionen in einem einzigen Netzwerk zu vereinen. Dieses wird meist als „konvergentes Netzwerk“ tituliert (Bild 2). Als wichtig erweist sich dabei vor allem, dass sich die Disziplinen der IT- und OT-Welt in einem gemeinsamen Netzwerk nicht gegenseitig beeinflussen. Um dies sicherzustellen, müssen in Ethernet selbst einige Optimierungen vorgenommen werden, in ihrer Summe als Time-Sensitive Networks (TSN) bezeichnet.

TSN: Werkzeugkasten für spezielle Zwecke

Bild 3. TSN ist kein einzelner Standard, sondern ein Werkzeugkasten aus Mechanismen, über die ein gemeinsames Netzwerk möglich wird.

© Phoenix Contact

Es ist essenziell zu verstehen, dass sich hinter TSN kein einzelner Mechanismus oder ein einzelner Standard verbirgt. Vielmehr lässt sich TSN mit einem Werkzeugkasten vergleichen, der mehrere Werkzeuge enthält. Jedes dieser Werkzeuge dient einem speziellen Zweck. Erst im richtigen Zusammenspiel aller Werkzeuge entfaltet sich der volle Nutzen eines konvergenten Netzwerks (Bild 3). An dieser Stelle sei eine kurze Erklärung der Werkzeuge eingefügt:

• Quality of Service (QoS): Bei QoS handelt es sich um ein bekanntes Konzept. Jedes beispielsweise an einem Switch empfangene Telegramm wird anhand eines integrierten Prioritätsfeldes (VLAN-Priorität) in getrennte Speicherbereiche (sogenannte Queues) einsortiert, die beim Senden entsprechend ihrer Priorität wieder genutzt werden. QoS sorgt dafür, dass echtzeitkritischer Traffic nicht durch andere Kommunikation gestört wird und zeigt sich damit als das wichtigste Werkzeug.
• Pre-Emption: Ein weiteres Problem, das in einem konvergenten Netzwerk auftreten kann, liegt in der Verzögerung von echtzeitkritischen Telegrammen durch lange TCP/IP-Telegramme. Pre-Emption löst das Problem, indem ein langes niederpriores Paket sofort unterbrochen wird, wenn ein hochpriores Paket übertragen werden soll. Der noch zu sendende Rest des niederprioren Pakets wird gespeichert und später fortgesetzt. Pre-Emption stellt sicher, dass die Varianz der Datenweiterleitung bei 1 GBit/s auf etwa 1 µs sinkt – und das unabhängig von der Telegrammgröße.
• Precision Time Protocol (PTP, IEEE 802.1AS):Viele Anwendungen in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI) benötigen eine hochgenaue Uhrzeitsynchronisation. Das verbreitete Synchronisationsprotokoll NTP (Network Time Protocol) reicht allerdings nicht mehr aus. Über PTP lassen sich Synchronisationsgenauigkeiten im µs-Bereich erzielen, weil die Laufzeiten auf den Leitungen und in den Switches gemessen und kompensiert werden.
• Synchrone Kommunikation: Die hochgenaue Uhrzeitsynchronisation über PTP erlaubt auch die Synchronisation der Kommunikation und der Applikationen in den beteiligten Geräten. Ohne eine solche Synchronisation ist es möglich, dass die sogenannte Klemme-zu-Klemme-Reaktionszeit in weiten Bereichen variiert, da auf dem Weg vom Eingang zum Ausgang immer gerade ein Zyklus verpasst werden kann. Mit der synchronen Kommunikation wird dies ausgeschlossen.
• Brownfield-Integration: Der Einsatz der beschriebenen Werkzeuge erfordert neue Hardware in allen beteiligten Geräten. Daher erfolgt die Einführung von TSN zuerst nur dort, wo sich ein signifikanter Vorteil ergibt. Ein sanfter Übergang von Profinet RT hin zu Profinet mit TSN ist machbar, indem jedes bestehende Profinet-Gerät an den „Grenzen“ eines TSN-Bereichs verwendet wird. So lassen sich Investitionen in Geräte und Know-how sichern.

Die aufgeführten Werkzeuge werden bei Profinet mit TSN in sinnvoller Kombination miteinander genutzt. Hieraus resultieren Vorteile, ohne dass sich das Look & Feel ändert.