Die Konvergenz von IT und OT ist zwingende Voraussetzung für den Erfolg der Digitalisierung in der Automatisierungsbranche. Erforderlich hierfür ist eine durchgängige und offene Konnektivität. IEEE Ethernet war auf Grund des fehlenden Determinismus lange Zeit keine Alternative zur vorherrschenden Vielfalt der industriellen Feldbusse. Die fehlende, oder nur mit signifikantem Overhead mögliche, Interoperabilität untereinander und insbesondere zur IT ist jedoch ein zunehmender Innovationshemmer, wie insbesondere beim aktuellen Hype-Thema Virtualisierung der Steuerungstechnik (vPLC) erkennbar ist. Mit der Gründung der Time-Sensitive Networking Task Group startete vor nunmehr zwölf Jahren die Evolution von Ethernet: Durch neue Substandards werden die Quality-of-Service-Mechanismen von Ethernet um Funktionen zur Echtzeitkommunikation erweitert und ermöglichen so deterministische Garantien. TSN ist somit die nächste Evolutionsstufe von Ethernet und keine neue Technologie an sich. Im Umkehrschluss spielt TSN daher für Anwendungen auch dieselbe Rolle wie Ethernet, welches stets mit weiteren Lösungen auf den oberen Kommunikationsschichten ergänzt werden muss – TSN ist also kein Feldbus, kann aber ein Teil davon sein.

Welche Rolle TSN in der industriellen Kommunikation einnehmen wird, war und ist Gegenstand vieler Diskussionen. Auch wenn hier noch nicht die letzte Entscheidung gefallen ist, gibt es inzwischen kaum noch Zweifel, dass TSN für einen Großteil der industriellen Anwendungsfälle potentiell tauglich ist, und auch der Mehrwert der Konvergenz hat sich der breiten Community erschlossen.

Jenseits der industriellen Automatisierung etabliert sich TSN ebenfalls zusehends. Allen voran sei die ProAV-Branche erwähnt, die bereits auf die Vorgängerstandards von TSN gesetzt hat. Hier werden TSN-basierte Lösungen bereits für große Veranstaltungen eingesetzt und erweisen sich als robust und tauglich. Auch der Mobilitätssektor zeigt großes Interesse – vom Automobil über den Schienenverkehr bis hin zur Luftfahrt. Diese hat sich in den letzten Jahren zu einem echten Treiber von TSN entwickelt, da wettbewerbsrechtliche Vorgaben im US-Markt die Nutzung offener Standards erzwingen und somit defacto TSN verpflichtend machen.
In den folgenden Abschnitten werden die aktuellen Entwicklungen und Trends zusammengefasst.

Die TSN-Standards

Die aktuellen Themen der Standardisierung. © ISW

Die relevanten IEEE-Ethernet-Standards in 802.1 lassen sich in vier Gruppen einteilen: Zeitsynchronisation, garantierte Latenzen, Verfügbarkeit und Konfiguration.

• Zeitsynchronisation ist die Basis aller deterministischen Funktionen. Nach wie vor befindet sich die Branche im Umstieg von IEEE 802.1AS 2011 zur Version 2020. Mit der zunehmenden Umsetzung ergeben sich auch praktische Erfahrungen, die einerseits zu Verbesserungen und Optimierungen führen. Andererseits richtet sich der Fokus auf das Management der neuen Funktionen, wie den Pre-Engineered Sync Tree. Die neusten Standards decken daher YANG-Modelle sowie Hot Standby ab, im Fokus der aktuellen Standardisierung ist die Unterstützung von Links im Halb-Duplex Mode sowie die Steigerung der Robustheit.
• Garantierte, niedrige Latenzen werden im Kontext von TSN durch verschiedene Traffic-Shaper ermöglicht. Bekannt und standardisiert sind hier insbesondere der Time-aware Shaper (IEEE 802.1Qbv), der Credit-based Shaper (IEEE 802.1Qav) sowie das Frame Preemption (IEEE 802.1Qbu). Aktuell stehen hier die Standardisierung von Cut-Through sowie die effiziente Parametrierbarkeit der Shaper im Fokus.
• Verfügbarkeit wird im Kontext von TSN in erster Linie durch die Standards zur eingangsseitigen Filterung (IEEE 802.1Qci) sowie durch Redundanzmechanismen erreicht (IEEE 802.1CB).
• Konfiguration und Management sind kritisch für den Erfolg von TSN. Momentan wird sowohl an den notwendigen Modellen als auch Methoden gearbeitet. Erfolgreich abgeschlossen wurde beispielsweise 802.1Qdj, in dem Schnittstellen zwischen den Management-Entitäten festgelegt werden. Auch wurden Modelle für die Shaper in 802.1Qcw standardisiert. Nach wie vor laufen die Arbeiten am Resource Allocation Protocol sowie an einer Reihe weiterer YANG-Module.

Profile für TSN

Um innerhalb von Anwendungsdomänen einheitliche Basislösungen und Interoperabilität zu erreichen, werden neben den eigentlichen funktionalen Standards Profile standardi-siert. Im industriellen Kontext ist der Dual-Logo Standard IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation von größter Relevanz, der seit vielen Jahren intensiv diskutiert und entwickelt wird. Inzwischen ist der Standard schon weit fortgeschritten, so dass eine Veröffentlichung in 2025 zu erwarten ist. Mit den Standards IEEE 802.1DG wird ein Profil für den Automotive-Bereich und mit IEEE 802.1DP ein Profil für die Luftfahrt entwickelt.

Protokolle der höheren Schichten

TSN deckt die unteren Schichten des OSI-Modells ab, Anwendungen benötigen daher stets weitere Protokoll-Lösungen. Für klassische IT-Aufgaben lassen sich die aus dem IT-Umfeld bekannten Protokolle wie TCP/IP nutzen, zur industriellen Kommunikation, insbesondere zur Kommunikation mit der Feldebene, sind andere Lösungen nötig.

Dabei lassen sich Protokolle sowohl transparent tunneln als auch aktiv an TSN adaptieren. Bei der Adaption werden verschiedene Ansätze verfolgt: Entweder wird TSN als technologischer Baustein in einem (teil-)geschlossenen Ökosystem verwendet oder das TSN-Netzwerk wird als Ressource ab-strahiert. Während der erste Ansatz schnelle und einfache Lösungen ermöglicht, ist der zweite wesentlich skalierbarer.

Profinet sowie CC-Link IE TSN nutzen TSN als technologischen Baustein. Beide bewahren etablierte Ökosysteme und bieten mindestens für die Best-Effort-Kommunikation eine Konvergenz. Für beide Varianten gibt es bereits eine Vielzahl an Standards, zunehmend Produkte und auch erste reale Umsetzungen.

OPC UA FX hingegen verfolgt den Ansatz, TSN-Netzwerke als Ressource zu betrachten. OPC UA FX versucht dabei, eine einheitliche Lösung bis zur Applikationsschicht zu realisieren. Nachdem nun viele Teile der Controller-to-Controller-Kommunikation fertig standardisiert sind, schwenkt der Fokus auf die Controller-to-Field-Kommunikation. Die Echtzeitkommunikation, die auf Basis von OPC UA PubSub erfolgt, soll innerhalb der nächsten Jahre ebenfalls fertig standardisiert werden, weswegen viele Hersteller nun mit der Entwicklung passender Geräte beginnen. Darüber hinaus gibt es bereits fertige Geräte, die auf Basis von OPC UA PubSub und TSN automatisieren können und ‚FX-ready‘ sind.

Einen weiteren Ansatz verfolgt Ethercat. Hier wird die bisherige Technologie auf der Feldebene beibehalten, eine Tunnelung ist aber durch TSN auf Ressourcenbasis möglich. Der Ansatz wurde bereits vor Jahren veröffentlicht, seit diesem Jahr gibt es auch Implementierungen.

Infrastruktur und Endgeräte

Applikationen und Trends auf Basis von TSN. © ISW

Endpunktseitig kommen kontinuierlich neue Hardware- und Software-Lösungen auf den Markt, die typischerweise aus einer Kombination aus Prozessor und ASICs oder IP-Cores für rekonfigurierbare Hardware bestehen. Dies gilt gleichermaßen für hochintegrierte eingebettete Systeme wie auch für PC-basierte Systeme, bei welchen die Hardware typischerweise Teil einer Netzwerkkarte ist.

In der Realität angekommen

TSN ist als Enabler für die konvergente Echtzeitkommunikation branchenübergreifend akzeptiert. Fortschritte bei der Standardisierung, den verfügbaren Lösungen sowie beim Verständnis zur Nutzung der Technologie resultieren in ersten realen, produktiven Umsetzungen. Im nächsten Jahr sind weitere signifikante Fortschritte zu erwarten: Die Veröffentlichung von Profilen, intensive Aktivitäten hinsichtlich OPC UA FX sowie die Vorstellung vieler neuer Produkte. Entscheidenden Einfluss hat auch der neu entstehende Bedarf seitens des Marktes für konvergente Kommunikation – ausgelöst durch virtuelle SPSen. Das zunehmende Interesse an Single Pair Ethernet dürfte im kommenden Jahr zu einem weiteren Push führen.

Gleichzeitig gilt es festzustellen, dass TSN zunehmend als Enabler absorbiert wird, ohne selbst im Fokus zu stehen. Vermutlich stellt dies die größte Bestätigung dar – denn am Ende ist TSN doch nur Ethernet.