11.11.2016

Der nächste Schritt zur Vereinheitlichung

TSN-Testbed für das Internet der Dinge

Um den künftigen Anforderungen des industriellen Internets der Dinge (IIoT) sowie den Anforderungen von Industrie 4.0 gerecht zu werden, müssen bestehende Netzwerkinfrastrukturen weiterentwickelt werden. Daher arbeiten führende Hersteller von Automatisierungs- und Informationstechnologie gemeinsam mit dem Industrial Internet Consortium (IIC) an der weltweit ersten Testumgebung (Testbed) für Anwendungen im Bereich Time-Sensitive Networking (TSN). Der Artikel beschreibt den Stand der Dinge.


André Uhl, Direktor im Bereich Innovation & Technology, Schneider Electric Automation GmbH
Bild: Schneider Electric Automation GmbH

((Kasten))

TSN

TSN bezeichnet eine Reihe von Unterstandards, die derzeit entwickelt werden und in Zukunft innerhalb der IEEE802.1 standardisiert werden. Ziel ist es, Ethernet echtzeitfähig zu machen. Ein großer Vorteil von TSN ist, dass auch die Automobilbranche auf diesen Standard setzt. Damit werden die nötigen Halbleiter-Baugruppen sehr schnell und vergleichsweise kostengünstig verfügbar sein. Mit dem Ziel, weitere Industrien zu erreichen und das Einsatzspektrum zu erhöhen, hat sich aus der ursprünglichen Arbeitsgruppe der Automobilbranche die TSN-Initiative entwickelt. Ziel der Automobilbranche ist es, auch Steuerungsaufgaben und Anwendungen, die die funktionale Sicherheit betreffen, über Ethernet abzuwickeln. Dafür sind Zykluszeiten im Echtzeitbereich und ein deterministisches Netzwerkverhalten Grundvoraussetzung. Genau diese Anforderungen sind es auch, die die Linienautomatisierung moderner Produktionsanlagen erfordert.

Executive summary

Die Firmen Bosch Rexroth, B&R, Cisco, Innovasic, Intel, Kuka, National Instruments, Schneider Electric und TTTech untersuchen in einem gemeinsamen Testbed des Industrial Internet Consortiums (IIC) die Nutzungsmöglichkeiten von Ethernet TSN im industriellen Umfeld. Die ersten Ergebnisse zeigen, dass TSN neue Möglichkeiten eröffnet, um die industrielle Kommunikation herstellerübergreifend zu vereinheitlichen.

Da für den Einsatz neuer digitaler Technologien in Produktionsprozessen ein zuverlässiger und sicherer Zugriff auf Edge-Devices notwendig ist, muss Standardnetztechnik mit neuen Funktionen und Fähigkeiten ausgestattet werden. Nur so lassen sich die komplexen Anforderungen zukünftiger industrieller Systeme erfüllen und der Betrieb von Maschinen, Stromnetzen und Verkehrssystemen verbessern. Die ersten Zwischenergebnisse des Testbeds sind vielversprechend", erklärt Sebastian Sachse, Technology Manager Open Automation bei B&R. Das Testbed wurde im Industrial IoT LAB von National Instruments erstmalig in Betrieb genommen. Die Ergebnisse zeigten das Potenzial von TSN auf, die hardwarenahen Kommunikationsschichten (Ebene 2 im OSI-Schichtenmodell) herstellerübergreifend zu vereinheitlichen.

Erste Tests verliefen vielversprechend

Die Integration von TSN in erste Prototypen ist bei den beteiligten Firmen sehr stark vorangeschritten und in einem gemeinsamen Plugfest wurde bewiesen, dass die einzelnen Komponenten untereinander kompatibel sind. Dabei wurden auch Performancemessungen durchgeführt. In der ersten prototypischen Implementierung wurden Zykluszeiten im niedrigen Millisekundenbereich erreicht. Diese Werte stehen denen aktueller ethernetbasierter Feldbussen in nichts nach. "Wir sind uns sicher, dass TSN in der Industrie zum Einsatz kommen wird", sagt André Uhl, Direktor Innovation & Technology bei Schneider Electric. Dabei bleibt jedoch die Frage offen, ob auch die applikationsnahen Kommunikationsschichten vereinheitlicht werden können. Alle beteiligten Firmen sind sich einig, dass OPC UA dafür vielsprechendes Potenzial mit sich bringt. "Bereits jetzt haben sich zahlreiche Automatisierungs- und Roboterhersteller in der OPC Foundation zusammengeschlossen, um OPC UA auf Ethernet TSN aufzusetzen", sagt Uhl.

OPC UA TSN: Brücke zwischen den Welten

Mit OPC UA TSN könnte die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und der Fabrikautomatisierung geschlagen werden. OPC UA TSN hat das Potenzial, die Kommunikation für alle Applikationen in der Fabrikautomatisierung abzuwickeln. Die Synchronisierungsgenauigkeit liegt im Sub-Mikrosekundenbereich und ist damit ausreichend für Anwendungen, wie beispielsweise Liniensynchronisation, Anbindung von Scada-Systemen, einfache Steuerungsaufgaben oder auch den Betrieb von Förderbändern und die Anbindung von I/Os. Die mögliche Erweiterung von OPC UA auf die Ebene der Linienautomatisierung in den kommenden Jahren wird gravierende Auswirkungen auf die Struktur von Maschinen und Anlagen haben. Die klassischen Feldbusse auf Factory-Ebene werden überflüssig.

Erweiterung des Testbeds um Pub/Sub

Das Testbed wurde auch auf dem IoT World Solutions Congress in Barcelona vorgestellt und einheitlich mit positivem Feedback aufgenommen. Das Testbed soll nun im nächsten Schritt in Deutschland repliziert werden. "Wir überlegen, ob wir in beiden Testbeds auch die Erweiterung von OPC UA um einen Publish/Subscribe-Mechanismus (Pub/Sub) testen", sagt Sachse. Wie die nächsten Schritte konkret aussehen werden, stellen die beteiligten Firmen auf einer Pressekonferenz auf der SPS IPC Drives vor.

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