Die Globalisierung, Regionalisierung und Personalisierung von Märkten haben tiefgreifende Auswirkungen auf produzierende Unternehmen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind Flexibilität und Wandelbarkeit notwendig. Verschiedene Technologien, Paradigmen und Perspektiven werden als Enabler dieser Flexibilität und Wandelbarkeit angesehen. Diese Ansätze haben als Gemeinsamkeit eine zunehmende Vernetzung der in der Fertigung eingesetzten Systeme. Denn nur wenn alle beteiligten Systeme jederzeit über transparente Informationen verfügen, lässt sich Flexibilität gewährleisten. Für die zunehmende Vernetzung müssen allerdings Kommunikationsströme aus Betriebstechnologie (OT) und den Leitebenen (IT) zusammengeführt werden. Das Time-Sensitive Network (TSN) ermöglicht die Koexistenz von OT- und IT- Kommunikationsströmen durch die Standardisierung einer echtzeitfähigen Datenverbindungsschicht (Layer 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells) durch die IEEE. TSN ermöglicht damit die Beibehaltung der Echtzeitanforderungen der OT-Kommunikation und gleichzeitig die Nutzung des Netzwerks durch die IT-Kommunikation. TSN gilt daher als Schlüsseltechnologie für diese konvergente Kommunikation. Unter dem Begriff Industrie 4.0, der 2011 auf der Hannover Messe geprägt wurde, wird daher seit vielen Jahren mittels TSN auf die Flexibilität und Wandelbarkeit hingearbeitet. Was ist schon erreicht?

TSN als Schlüsseltechnologie?

Eine Herausforderung bei der Entwicklung der TSN-Standardisierung ist der Zeitaufwand. Dies führte dazu, dass erst in der letzten Zeit tatsächlich produktreife Technologien verfügbar sind, die für die Automatisierung wichtige TSN-Standards unterstützen.

Eine weitere Herausforderung ist, dass TSN nur die unteren Kommunikationsschichten abdeckt und die höheren Schichten implementierungsspezifisch sind. OPC UA mit der Pub/Sub-Erweiterung für die Echtzeitkommunikation ist einer der vielversprechendsten Kandidaten, um diese Schichten auf der grünen Wiese auszufüllen. Der Übergang zu neuen Technologien wird jedoch aufgrund der Komplexität, der ungelösten Abhängigkeiten und der Netzwerkkonfiguration nicht nahtlos sein. Die Interoperabilität bestehender Technologien ist deshalb ein wichtiger Schritt hin zu einer konvergenten Kommunikation auf Grundlage von TSN. Daher setzen viele Feldbusse auf Kompatibilität und verwenden TSN auf den unteren zwei Schichten, beispielsweise genannt seien EtherCAT und Profinet. Inwiefern sind die Feldbusse aber tatsächlich schon konvergent in einem TSN-Netzwerk nutzbar?

Der Kandidat EtherCAT

EtherCAT ist ein etablierter Feldbus, der sich wachsender Beliebtheit erfreut, was zum einen an der Realtime-Performance liegt, die auch kritische Zeitanforderungen wie Motion gerecht wird, aber auf der anderen Seite auch eine Offenheit besitzt und damit verbunden eine große Anzahl an Software Stacks verfügbar sind. Damit ist EtherCAT ein idealer Kandidat für die konvergente Kommunikation über TSN.

Ein EtherCAT-Netzwerk besteht aus einem einzelnen Master und mehreren Slaves. Die physikalische Verdrahtung kann als Kombination aus Stern-, Baum- und Linientopologie ausgeführt werden. Die logische Topologie ist immer ein Ring. Der Master ist das einzige Kommunikationsgerät, das EtherCAT-Telegramme sendet. Dieses Sammeltelegramm enthält die EtherCAT-Daten aller Slaves und durchläuft alle Kommunikationsteilnehmer, die die Ausgangsprozessdaten empfangen, die Eingangsdaten eintragen und das Telegramm weiterleiten. Das Telegramm wird vom letzten Gerät an den Master zurückgesendet. Neben den zyklischen Prozessdaten werden auch azyklische Daten über Mailboxen ausgetauscht.

Die Synchronisation zwischen den Geräten in einem EtherCAT-Netzwerk basiert auf dem Distributed Clock (DC)-Mechanismus. Die Uhren aller DC-fähigen Geräte werden typischerweise auf die Uhr des ersten DC-fähigen Slaves mit einer Genauigkeit von weniger als 100 ns synchronisiert. Dadurch lassen sich hochpräzise Zeitstempel zu aufgezeichneten Daten zuordnen und eine Synchronisation erreichen, die für Motion-Control-Anwendungen unerlässlich ist.

Das Konvergenz-Projekt

Die Analyse und Bewertung des bereits möglichen Konvergenzpotenzials erfolgte am ISW mittels eines Cloud-basierten Szenarios. Dieses Szenario basiert auf der Vision des Software defined Manufacturing (SDM), das für die Trennung von Hardware und Software steht. In dem realisierten Szenario steuert ein einzelner IPC mehrere Maschinen.

EtherCAT verwendet Broadcast Media-Access-Control- Adressen (MAC-Adressen), um Telegramme an alle Slaves zu senden. Folglich ist die Verwendung desselben Kabels für mehrere EtherCAT-Netzwerke nicht möglich. Es gilt, zusätzliche Mechanismen zu implementieren. Die EtherCAT Technology Group (ETG) hat das TSN-Kommunikationsprofil ETG.1700 veröffentlicht, das dieses Problem durch Mapping auf zwei unidirektionale Streams mit definierter MAC-Adresse behebt. Die Umsetzung erfolgt durch eine Adaptionsschicht im EtherCAT-Master und in EtherCAT-Slaves, die als Stream-Adaption bezeichnet wird. Im erläuterten Projekt wird nicht die im ETG.1700-Profil beschriebene Stream-Adaption verwendet, sondern mehrere Virtual Local Area Networks (VLANs), die im IEEE 802.1Q-Standard definiert sind. Damit ist es möglich, herkömmliche EtherCAT-Buskopplern zu verwenden, anstelle von spezialisierten TSN-fähigen Kopplern.