Erschienen am: 30.10.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 11 2017

Die industrielle Kommunikation der Zukunft - Teil 2/4

Echtzeit-Reservierungen

"Möge das beste Protokoll gewinnen!" - so könnte einst ein Zeremonienmeister gerufen haben. Zumindest vergleichen sich die einzelnen Protokolle gerne über die Leistungsmerkmale Performanz und Echtzeitfähigkeit. Was aber ist Echtzeitfähigkeit?


Serie Industrielle Kommunikation

Teil 1: (SPS 10/17)

Eigenschaften technischer Sprachen

Teil 2: (SPS 11/17)

Performanz & Echtzeitfähigkeit

Teil 3: (SPS Special)

Neue Protokolle für Paradigmenwechsel

Teil 4: (SPS 12/17)

Ersetzt OPC UA die Feldbusse?

Es ist die Fähigkeit, eine Aktion rechtzeitig auszuführen oder eine Nachricht rechtzeitig zu übermitteln. Standard Ethernet ist hier nicht optimal eingestellt: die Optimierung liegt hier in der Performanz und eine Garantie für die Übertragung innerhalb einer bestimmten Zeit wurde bisher nicht berücksichtigt. Mit so genannten Quality of Service-Funktionen (QoS) lässt sich unter bestimmten Umständen dennoch eine Art Echtzeit erreichen. Entscheidend für den Erfolg einer Echtzeitfähigkeit ist die Planung der Nachrichten. Arbeitet man mit Nachrichtenprioritäten, so muss bekannt sein, wer welche Prioritäten hat und in welchem Umfang nutzt. Und dieses Wissen fehlt meist, wenn beliebige Komponenten an einem Netzwerk betrieben werden.

TSN (Time Sensitive Networking)

Für die Automatisierungstechnik ist der zeitliche Determinismus sehr wichtig. Derzeit haben viele Protokolle das Problem, gerade bei einer großen Zahl eingebundener Geräten deren Echtzeitansprüche in der Datenübertragung abzubilden. Es fehlt eine Planung der Übertragungsprozeduren, denn best effort-Lösungen und Priorisierungen stoßen früher oder später an funktionale Grenzen. Schließlich müssen Protokolle bestimmten Anforderungen an die Sicherheit und Robustheit genügen. Dabei geht es nicht nur um den Schutz gegen gewollte Angriffe von außen, sondern vor allem um die Abwehr unbeabsichtigter Angriffe aus der Maschine oder Anlage selbst: fehlerhafte Geräte, die undefinierte Protokolle absetzen, dürfen nicht dazu führen, dass sich die Kommunikation ganz oder teilweise aufhängt. TSN fasst eine Reihe von Spezifikationen unter der IEEE 802.1 zusammen, welche dem Standard-Ethernet Echtzeitfähigkeit und eine hohe Verfügbarkeit verleihen sollen. Manche Feldbusorganisationen haben sich die mangelnde Eigenschaft von Ethernet zur Aufgabe gemacht und eigene Lösungen geschaffen. Alle richtigen Lösungen bedürfen spezieller Hardware, was bei den relativ kleinen Stückzahlen kostspielig ist. Die Ergebnisse der IEEE Task Group TSN werden die Netzwerke revolutionieren. Die wichtigste - neue - Eigenschaft wird die Notwendigkeit einer Nachrichtenplanung sein. Da sich die wesentlichen Technologien aus der Arbeit als Standard durchsetzen werden, wird die Echtzeitfähigkeit keine besondere und damit teurere Hardware erfordern.

Dezentrale Konfiguration von Echtzeit-Reservierungen

Die wesentlichen Ideen für die Nachrichtenkoordination liegen auf dem Tisch und werden von allen namhaften Halbleiterherstellern bereits umgesetzt. Diskussion und Verwirrung gibt es noch bei der Frage der Konfiguration (Planung). In den Arbeitsgruppen um die IEEE hat man sich zunächst auf einen zentralen Ansatz verständigt. Kritiker fordern aber sofort einen dezentralen Ansatz. Der prinzipielle Unterschied liegt in der Frage: Wer hat die Übersicht? Im Zentralen Ansatz gibt es eine zentrale Instanz, den CNC (Central Network Configuration), welche die Übersicht über alle Reservierungen besitzt. Der Ansatz ist vergleichbar mit dem Besitzer eines Restaurants, welcher selbst sämtliche Reservierungen entgegennimmt und plant. Sein Verantwortungsbereich - die Domäne - ist klar umrissen: Sein Restaurant. Möchte nun ein Gast in fünf verschiedenen Restaurants nacheinander einkehren, so muss er mit allen Restaurantbesitzern verhandeln. Das kann mitunter schwierig werden, wenn die Restaurants nicht mehr alle Optionen zulassen. In diesem Fall muss der Gast zunächst alle Optionen einholen und selbst eine Planung vornehmen. Dann kann er die einzelnen Reservierungen mit den Restaurantbesitzern vornehmen. Und damit ist die Grundidee der dezentralen Konfiguration von Echtzeit-Reservierungen geboren. Im Falle von Ethernet-Switchen - Bridges genannt - könnte der Reservierende direkt mit den Switchen verhandeln (während im Falle der Restaurant-Analogie das Verhandeln mit den Tischen nur mit viel Fantasie vorstellbar ist). Der wesentliche Unterschied ist, dass der Interessent - also Sender oder Empfänger - die Entscheidung trifft und nicht eine zentrale Instanz. Die dezentrale Konfiguration von Echtzeitnetzwerken ist die Voraussetzung, damit Echtzeitnachrichten Domänen einfach überschreiten und damit Automatisierungsfunktionen aus der Halle, aus dem Werksgelände oder gar in das World Wide Web ausgelagert werden können. Auch bei der dezentralen Konfiguration von Echtzeitnetzwerken wird es verschiedene Domänen geben. Dies ist notwendig, um die Identitätsüberprüfung (Security) und finanzielle Kompensation einer Reservierung durch verschiedene Organisationen zu ermöglichen. Aber die Entscheidung, wann und wo reserviert wird, liegt nicht mehr bei einer zentralen Komponente, die im Falle des Internets weltumspannend zuständig sein oder sich abgleichen müsste, sondern beim Auftraggeber einer Echtzeitnachricht. Die Standardisierungsbemühungen für die Switche stehen noch am Anfang. Die Problematik der Planung und Konfiguration aller Echtzeit-Nachrichten in einem Netzwerk ist anspruchsvoll. Daher ist durchaus zulässig, zunächst verschiedene Ansätze zu verfolgen und einen dezentralen Konfigurationsansatz erst später anzugehen.

Ethernet Feldbusse

Feldbusse sind mehr als nur Protokolle. Hinter erfolgreichen Feldbussen stehen eine Reihe von Firmen, welche die Technologie nicht nur unterstützen, sondern auch aktiv vorantreiben. Dazu gehört neben einem aktiven Marketing vor allem auch die inhaltliche Arbeit an Qualitäts- und Interoperabilitätsmaßnahmen sowie an neuen Funktionen für alle möglichen Use Cases wie beispielweise der Unterstützung von Security-Eigenschaften. Die Konsolidierung hat begonnen - wer überleben wird, entscheidet sich vor allem durch die Anzahl aktiv unterstützender Firmen. Darin wird vermutlich auch die Begründung zu suchen sein, warum sich für amerikanische Unternehmen eine andere Organisation durchsetzt als für europäische Firmen. Denn eine Reise über den Teich ist kostspielig, zeitaufwendig und nervenberaubend. Neben der aktiven Unterstützung einer Feldbusorganisation fördern die meisten Lieferanten von Feldbuskomponenten durch die Implementierung in ihren Komponenten neben Profinet auch EtherNet/IP und umgekehrt. Daher darf man davon ausgehen, dass einige Firmen ein relativ großes Interesse daran haben, dass die beiden Organisationen enger zusammenrücken oder zumindest in Teilbereichen kooperieren. In einer Technologie wird es zwangsläufig eine gemeinsame Lösung geben: Alle namhaften Feldbusorganisation haben sich mehr oder weniger öffentlich für den Einsatz von TSN entschieden. Damit wird ein wesentlicher Teil der Protokoll-Spezifikation durch einen gemeinsamen Standard vereinheitlicht. Derzeit geht die Angst um, der Standard könnte auseinanderbrechen. Es wird aber allen Strategen bekannt sein, dass man einen Standard zwar beeinflussen kann, sich jedoch nicht vom Mainstream der Merkmale abwenden kann, ohne erhebliche Vorteile am Markt einzubüßen.