"Im Zusammenspiel von deterministischer Kommunikation und einheitlicher Semantik liegt der ‚Missing Link‘ für viele Zukunftsfragen der Auto­matisierung.", so Dr. Thomas Holm, Wago Kontakttechnik.

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Thomas Holm zufolge müsse das Konzept der Ethernet-Erweiterung und die Vision dahinter ganzheitlich betrachtet werden. Dann merke man schnell, welche grundlegenden Veränderungen TSN für die Kommunikationstechnik bringe: „Erst wenn es möglich ist, dass Geräte über Standard-Ethernet mit TSN-basierten Produktionsstrukturen kommunizieren, lässt sich auch wirklich die klassische Automatisierungspyramide mit ihren auf die Ebenen gekapselten Technologien auflösen.“

Im Kontext von Industrie 4.0 wird diese Auflösung bereits seit einigen Jahren als Ziel beschrieben. TSN biete die Basis, damit aus der Feldebene heraus direkt mit jedem Gerät auf anderen Ebenen kommuniziert werden kann, ohne wie bisher auf Gateways zugreifen zu müssen oder die Kommunikationstechnologien komplett zu verändern. Zwar werde ebenfalls darüber diskutiert, dass die Durchgängigkeit einer Netzwerk-Infrastruktur auch neue Herausforderungen mit sich bringe, zum Beispiel in Bezug auf Cyber-Security oder Funktionale Sicherheit. „Im Endeffekt ist sie aber eine der Schlüsselfertigkeiten von TSN“, so Holm.

Der Wago-Innovationsexperte sieht einen weiteren wichtigen Aspekt bei TSN: „Die Erweiterung von Ethernet ist richtig und gut – wirklich mächtig wird sie aber erst im Zusammenspiel mit OPC UA, das als semantischer Counterpart von TSN fungieren kann. Im Zusammenspiel von deterministischer Kommunikation und einheitlicher Semantik liegt der ‚Missing Link‘ für viele Zukunftsfragen der Automatisierung.“ Dieses Zusammenspiel ermögliche es, dass sich Geräte, Maschinen und Anlagenteile künftig selbst beschreiben, untereinander verstehen und automatisch passend konfigurieren. Das wiederum ist eine Voraussetzung dafür, dass modulare Ansätze im Maschinen- und Anlagenbau in der Praxis tatsächlich ‚zum Fliegen‘ kommen können.

Was müssen Betreiber von Produktionsanlagen nun in die Wege leiten, damit sie die Vorteile von TSN in Zukunft nutzen können? Sie müssen sich, so Holm, zunächst ernsthaft mit dem Thema befassen. Und sie benötigen Automatisierungslösungen, die bereits heute für den Standard vorbereitet sind. Mit dem schnellen IP20 ‚I/O System Advanced‘ und dem ‚I/O System Field‘ für Anwendungen in der Schutzart IP67 bringt Wago aktuell zwei Systeme auf den Markt, mit denen die Mindener Themen wie OPC UA und TSN ein Gesicht geben wollen. Das ‚I/O System Advanced‘ ist eine komplette Neuentwicklung. Einsatzort soll der Maschinen- und Anlagenbau sein, bei dem hohe Anforderungen an die Echtzeit-Fähigkeit gelten. Wert gelegt wurde darum auf geringste Latenz. Durch das Gateway zum existierenden I/O-System der Serie 750/753 mit seinen 500 I/O-Modulen sind die Vorteile aus den Systemen kombinierbar. Das ‚I/O System Advanced‘ ergänzt damit das bestehende 750er-System und bietet darüber hinaus ein neues Design sowie eine komfortable und fehlervermeidende Mechanik.

Die kurze Latenz des Advanced-Systems und die damit verbundene hohe Synchronität zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen werden mit einem neuentwickelten internen Kommunikationsbus erreicht. Damit ist es möglich, schnelle Ethernet-Feldbusse wie Profinet, Ethercat und Ethernet/IP zu nutzen. Insbesondere wurde Wert auf Kompatibilität zu TSN gelegt. So verfügt das System zum Beispiel über die Möglichkeit, die Zeitdomäne des Kommunikationsnetzwerks direkt bis in die I/O-Ebene zu synchronisieren.

Bewährte PFC-Technik bildet die Basis

Die Module des I/O Systems Advanced werden ausnahmslos von oben gesteckt und durch stabile Führungen und Messerkontakte sicher miteinander verbunden.

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Mit dem ‚I/O System Advanced‘ führt Wago auch einen passenden Controller, den PFC200 ADV 2ETH, neu ein. Er basiert auf der bewährten PFC-Technologie und soll Anwendern einen möglichst einfachen Einstieg in das neue System erlauben. Durch das offene Linux-Betriebssystem und die Docker-Technologie bildet der Controller die Brücke zu vielfältigen IT-Techniken. Aufgrund der Möglichkeit zum Beispiel per MQTT direkt aus dem SPS-Programm zu kommunizieren, wird das Versenden von Daten in die Cloud vereinfacht. In Kombination mit VPN und Firewall ist auch der letzte Meter bis zum Controller sicherbar. Im PFC200 ADV 2ETH sind also die bekannten PFC-Funktionalitäten und die auf Codesys basierende Programmierung mit der Engineering-Software e!Cockpit mit an Bord.

Für Anforderungen außerhalb des Schaltschranks: das ‚I/O System Field‘ in Schutzart IP67, das in verschiedenen Gehäusevarianten verfügbar ist.

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Für Anforderungen außerhalb des Schaltschranks ist das I/O System Field in Schutzart IP67 die bevorzugte Lösung. Es integriert ebenfalls schnelle, Ethernet-basierte Feldbusse wie Profinet. OPC UA und künftig auch MQTT dienen als Kommunikationsprotokoll, zum Beispiel zur Anbindung an die Cloud. Zudem ist auch dieses System in der Lage, an TSN adaptiert zu werden. Um es optimal an die jeweilige Anwendung und Maschine anpassen zu können, sind verschiedene IP67-Gehäusevarianten verfügbar: vollvergossene Metallgehäuse für raue Umgebungen und zusätzlich leichte, unvergossene Kunststoffgehäuse mit geringer Masse für bewegte Anwendungen, etwa an Roboterarmen. Schmale Gehäusevarianten und seitliche Befestigungsmöglichkeiten schaffen weiteren Platz und bieten zusätzliche Schutzmöglichkeiten. 

Produktivität steigern mit IO-Link

Voll ausschöpfen kann das Field-System seine Stärken in Kombination mit IO-Link als flexibler ‚IO-Distributor‘ beim Erfassen und Verteilen von Daten. Der Kommunikationsstandard ermöglicht einen nahtlosen Datenfluss von der Sensor- bis in die Steuerungsebene. Dadurch werden Projektierung und Verkabelung erheblich vereinfacht. Zusätzlich ergeben sich völlig neue Möglichkeiten für die Diagnose, Parametrierung und Geräte-Identifizierung: Mit dem entsprechenden IO-Link-Master etwa können über einen 3-Leiter-Anschluss sowohl die Prozessdaten, als auch azyklische Daten für ­Identifikation, Konfiguration, Parametrierung und Diagnose an das jeweilige Device (Sensor wie Aktor) kommuniziert werden. Über Gerätebeschreibungsdateien für Master und Devices werden die Funktionen und Leistungsdaten definiert. Bei einem eventuell notwendigen Geräteaustausch sind Konfiguration und Parametrierung automatisch und ohne Eingriff des Wartungspersonals wiederherstellbar.

Last but not least sorgt ein spezielles Power Management dafür, dass die Leistung des Systems durch Lastmanagement der Versorgungsströme optimal ausgenutzt wird. Zudem kann es die Ströme und Spannungen der Ausgänge und Versorgungskontakte kanalweise überwachen und Grenzwerte vorgeben. Auch die Überlastgrenzen der Versorgungsströme sind kanalweise einstellbar. Dadurch lassen sich Fehler bei Störungen schneller und differenzierter erkennen und leichter vorhersagen – eine wesentliche Voraussetzung beispielsweise für die vorausschauende Wartung.

Der Anschluss der Sensoren und Aktoren an das I/O System Field erfolgt über M8- und M12-Leitungen. Die Spannungsversorgung ist mit einem hochstromfähigen M12-Steckverbinder in L-Codierung gelöst. Er ist kleiner und preiswerter als marktgängige Lösungen in 7/8 Zoll sowie M23 und in der Lage, bis zu 16 A zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann mehr Leistung auf weniger Raum angeschlossen werden. 
Auf den Punkt gebracht: Aus Sicht von Thomas Holm ist es für Maschinenbauer und Fertigungsunternehmen jetzt an der Zeit, sich mit dem Thema TSN ernsthaft auseinanderzusetzen. „Auch wenn die Marktdurchdringung in nächster Zeit nicht sprunghaft ansteigt, ist es wichtig, die Möglichkeiten beziehungsweise Vorteile von TSN und dessen Potenzial für die eigene Fertigung zu erkennen“, sagt der Experte. Aktuell bestehe zudem auch noch die große Chance, sich in die Spezifizierung der Technologie einzubringen.

Autor
Sascha Rentzing ist Teamleiter Content im Bereich Corporate ­Marketing bei Wago Kontakttechnik.