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TSN einfach Nachrüsten

01  Mit den einbaufertigen Anybus-Kommunikationsmodulen lässt sich TSN in Automatisierungsgeräten nachrüsten

01  Mit den einbaufertigen Anybus-Kommunikationsmodulen lässt sich TSN in Automatisierungsgeräten nachrüsten

Aktuell wird weitreichend über TSN (Time Sensitive Networking) als künftige Basistechnologie für die Echtzeitkommunikation in der Automatisierungstechnik diskutiert. Viele Nutzerorganisationen sowie zahlreiche Automatisierungstechnik- hersteller haben ehrgeizige Zeitpläne für die Integration des TSN-Protokolls in die jeweiligen Standards und Automatisierungsgeräte angekündigt. Gerätehersteller stehen damit erneut vor der Herausforderung, die Kommunikationsschnittstelle ihrer Automatisierungsgeräte an die neue Technologie anzupassen. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: komplette Neuentwicklung oder der Einsatz einbaufertiger Kommunikationsmodule, wie sie beispielsweise HMS anbietet.

02  Je nach Anwendungsfall, wie bei Profinet über TSN, gilt es, ein Subset aus der  umfangreichen TSN-Spezifikation zu bilden (Quelle: HMS, basierend auf dem aktuellen PI-Spezifikationsstand)

02  Je nach Anwendungsfall, wie bei Profinet über TSN, gilt es, ein Subset aus der umfangreichen TSN-Spezifikation zu bilden (Quelle: HMS, basierend auf dem aktuellen PI-Spezifikationsstand)

03  Profinet integriert TSN als Alternative zu den IRT-Funktionen in der Schicht 2 und  behält die Profinet-Kernfunktionen bei (Quelle: HMS, basierend auf dem aktuellen  PI-Spezifikationsstand)

03  Profinet integriert TSN als Alternative zu den IRT-Funktionen in der Schicht 2 und behält die Profinet-Kernfunktionen bei (Quelle: HMS, basierend auf dem aktuellen PI-Spezifikationsstand)

04  Anybus-Module haben eine standardisierte und busunab­hängige Hard- und Softwareschnittstelle zur Geräteelek­tronik

04  Anybus-Module haben eine standardisierte und busunab­hängige Hard- und Softwareschnittstelle zur Geräteelek­tronik

05  Anybus-Kommunikations­module gibt es in den drei Formfaktoren Modul, Brick und Chip

05  Anybus-Kommunikations­module gibt es in den drei Formfaktoren Modul, Brick und Chip

Ursprünglich wurde TSN für die Echtzeitübertragung von Audio- und Videodaten in Ethernet-Netzwerken konzipiert. Schnell stellte sich heraus, dass TSN aufgrund seiner guten Echtzeiteigenschaften auch für andere Anwendungsbereiche, wie die schnelle Echtzeitkommunikation in Fahrzeugen, dem Finanzwesen (Echtzeitkommunikation für die Börse) oder der Multimediawelt (Verteilung von Audio- und Videosignale synchron über das Netzwerk) sowie für die Echtzeitkommunikation in industriellen Anwendungen, geeignet ist.

TSN – ein Baukasten aus zehn Standards

Die Echtzeiterweiterung TSN darf jedoch nicht als ein einzelner Standard in Form einer Spezifikation verstanden werden, die Ethernet echtzeitfähig macht. TSN ist vielmehr ein Baukasten aus aktuell zehn Standards für einzelne Mechanismen und Funktionen. Die Standardisierung in der IEE ist noch nicht vollständig abgeschlossen und einige Teile befinden sich zurzeit in der Spezifikationsphase. Je nach Anwendungsbereich gilt es, ein Subset aus den insgesamt zehn Einzelstandards zu definieren, mit dem sich die gewünschte Funktionalität realisieren lässt.

TSN spezifiziert im Wesentlichen Funktionen für die Ebene 2 (Data Link Layer) des ISO/OSI-Schichtenmodells. Somit stellt es die Basisfunk­ti­onen für die Echtzeitübertragung verschiedener Anwendungsprotokolle, zum Beispiel IP, TCP, UDP, OPC UA und MQTT, einschließlich industrieller Anwendungsprotokolle, wie Profinet oder Ethernet/IP, bereit. Die TSN-Mechanismen alleine sind also noch keine Komplettlösung für den standardisierten Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Erst im Zusammenspiel mit den passenden Anwendungsprotokollen ist die Anwendung von TSN sinnvoll.

Dank seiner guten Echtzeiteigenschaften ist TSN anlagen­weit sowohl in den IT-Netzwerken als auch in der Produktion (OT, Operational Technology) einsetzbar. TSN kann so einen wichtigen Beitrag zur systemübergreifenden Kommunikation, der sogenannten IT/OT-Integra­tion leisten.

Damit stellt es eine wichtige Basistechnologie bei der Realisierung innovativer Automatisierungslösungen nach Industrie-4.0-Prinzipien dar. Weitere Vorteile von TSN sind die Robustheit auch bei hoher Netzwerklast, geringe Latenz­zeiten bei der Kommunikation sowie gute Plug-and-work-Eigenschaften. Die volle Leistungsfähigkeit spielt TSN erst in Gigabit-Ethernet-Netzwerken aus.

Die TSN-Vorteile für den Anwender

Für anspruchsvolle Anwendungen, zum Beispiel in der Automobilproduktion, bieten TSN-basierte Kommunikationsnetzwerke unter anderem folgende Vorteile:

  • Ablösung von proprietären durch standardisierte Lösungen,
  • Steigerung der Datenrate auf 1 Gbit/s oder höher,
  • Etablierung einer netzwerkweiten Zeitsynchronisation,
  • Netzwerkkoppler, zum Beispiel Profinet/Profinet-Koppler, können entfallen und
  • Standard-TSN-Switches ersetzen Spezial-Switches.

Diese Vorteile kommen jedoch nur dann zum Tragen, wenn es gelingt, ein einheitliches Profil für TSN in der Automatisierungstechnik zu definieren. Die Spezifikationsarbeiten dazu wurden in IEC/IEEE 60802 „Time Sensitive Networking Profile for Industrial Automation“ bereits begonnen.

Die TSN-Integration am Beispiel von Profinet

Profibus & Profinet International [1] hat die Bedeutung von TSN als zukünftigem Echtzeit-Ethernet-Standard früh erkannt. Ähnlich wie bei der Migration von Profibus auf Profinet verfolgt PI das Ziel, die neuen Möglichkeiten in das Gesamtsystem zu integrieren, ohne die Anwendersicht auf das Netzwerk zu verändern. So arbeitet die Nutzerorganisation derzeit an der Integration von TSN als Alternative zu den RT/IRT-Protokollen im Data Link Layer von Profinet. Dadurch kann Profinet die Vorteile von TSN nutzen, ohne die Profinet-Kernfunktionen bei der Übertragung von Prozessdaten, Alarm- und Dia­gnosedaten zu verändern. Wie erfolgreich dieser Ansatz ist, hat sich bei der Migration von Profibus auf Profinet gezeigt. Auch hier ist es PI gelungen, die Sicht der Anwendungsprogramme auf das Netzwerk zu erhalten, ohne auf die neuen Möglichkeiten der Ethernet-Kommunikation zu verzichten. Über die Integration von TSN hinaus, arbeitet PI auch daran, die Funktionen von OPC UA für geeignete Anwendungen wie HMI und die Controller-to-Controller-Kommunikation in die Profinet-Spezifikation zu integrieren. Ähnliche Ansätze bei der Integration von TSN verfolgen auch die jeweiligen Nutzerorganisationen rund um Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink und Modbus.

Die Möglichkeiten der TSN-Implementierung

Die vielversprechenden neuen Möglichkeiten von TSN, OPC UA, MQTT lassen sich jedoch erst dann nutzen, wenn die neuen Protokolle auch in der Kommunikationsschnittstelle des Automatisierungsgeräts implementiert wurden. Dabei ist die Implementierung der komplexen Funktionen nicht trivial und erfordert Expertenwissen. Während OPC UA und MQTT sich – sofern genügend Speicherplatz vorhanden ist – meist als Software-­Update realisieren lassen, ist im Fall der TSN-Integration ein komplettes Hardware-Redesign der Kommunikationsschnittstelle im Automatisierungsgerät erforderlich. Der Hauptgrund dafür liegt in den Synchronisations- und Scheduling-Mechanismen von TSN, die ohne spezielle Hardwarelösungen (Protokoll-Chips) nicht realisiert werden können. Zudem nutzt TSN auch Gigabit-Ethernet, während die heutigen industriellen Ethernet-Protokolle überwiegend auf 100-Mbit/s-Technologie basieren. Für einen Gerätehersteller ist der Übergang in die neue Kommunikationslandschaft entweder mit einem Hardware- und Software-Entwicklungsprojekt verbunden, oder er entscheidet sich für eine modulare Lösung auf Basis einbaufertiger Kommunikations­module.

Einbaufertige TSN-Busmodule

Als Alternative zur Eigenentwicklung einer TSN-fähigen Kommunikationsschnittstelle bietet sich ein Einsatz der Anybus-Kommunikationsmodule von HMS [2] an. Bei den Anybus-Modulen handelt es sich um einbaufertige Busschnittstellen für Automatisierungsgeräte. Sie beinhalten alle Hard- und Softwarefunktionen einer leistungsfähigen Kommunikationsschnittstelle. Anybus-Module gibt es für alle gängigen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Protokolle. Neue Module mit TSN-Integration befinden sich in der Entwicklung. Der Vorteil der Anybus-Module liegt in ihrer Austauschbarkeit. HMS erreicht dies durch ein vom jeweiligen Busprotokoll unabhängiges, einheitliches Hard- und Software-Interface zwischen Modul und der Geräteelektronik (Bild 4). In Automatisierungsgeräten mit einem Anybus-Steckplatz, lassen sich so neue Technologien wie TSN durch Tausch des Anybus-Moduls nachrüsten.

Die Anybus-Module sind sowohl mechanisch als auch hard- und softwareseitig standardisiert. Geräte mit Anybus-Steckplatz können das ganze Spektrum der verfügbaren Module nutzen und dadurch mit fast allen industriellen Netzwerken verbunden werden. Durch den Einsatz der Anybus-Module verringert sich der Aufwand bei der Entwicklung einer universellen Kommunikationsschnittstelle um bis zu 70 %. Darüber hinaus verringern sich Entwicklungszeit, Entwicklungsrisiko und die Time-to-Market wird verkürzt.

Drei Formfaktoren

Anybus-Module gibt es in den drei Formfaktoren Modul, Brick und Chip (Bild 5). Gerätehersteller kommen am schnellsten mit dem einbaufertigen, in sich gekapselten Kommunikationsmodul zum Ziel. Beim Modul ist die komplette Hard- und Software der Kommunikationsschnittstelle einschließlich Netzwerkstecker in ein Kunststoffgehäuse integriert. Das Modul ist als Einschubmodul konzipiert, das in den entsprechenden Steckplatz im Automatisierungsgerät eingesteckt wird. Die Bricks lassen dem Entwickler mehr Freiheitsgrade bei der Auswahl der Steckverbinder und der Positionierung der Kommunikationsschnittstelle. Hersteller, die ihre Geräte in sehr hohen Stückzahlen fertigen und daher oft auf Modularität verzichten, können die Anybus-Technologie als Chip nebst Software-Stacks lizenzieren und so die Anybus-Kerntechnologie nahtlos in ihre Geräteelek­tronik integrieren. Die HMS Solution Center realisieren auch individuelle Ausführungen nach Kundenanforderung und die Experten aus dem Bereich „Technical Services“ unterstützen die Hersteller auf Anfrage bei der Implementierung der Anybus-Technologie.

Für die Zukunft gerüstet

Mittlerweile hat HMS mehr als 5 Mio. Anybus-Module verkauft. Damit hat die Technologie einen hohen Reifegrad erreicht. Parallel wird die Produktfamilie kontinuierlich weiterentwickelt und an neue Anforderungen angepasst. Module, die OPC UA und MQTT unterstützen, sind bereits verfügbar. Module mit TSN-Integration werden – nachdem die Spezifikationsarbeiten in IEEE [3] sowie in PI, ODVA [4] und ETG [5] abgeschlossen sind – die Modulfamilie zeitnah ergänzen. (ih)


Literatur:
[1] Profibus & Profinet International, Karlsruhe: www.profibus.com
[2] HMS Industrial Networks GmbH, Karlsruhe: www.hms-networks.de
[3] Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), New York/USA: www.ieee.org
[4] ODVA, Ann Arbor/USA: www.odva.org
[5] Ethercat Technology Group (ETG), Nürnberg: www.ethercat.org


Autor:
Thilo Döring ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe.