TSN ist eine Erweiterung des Standard-Ethernets, die die Datenkommunikation in Schicht 2 (Sicherungsschicht bzw. Data Link Layer) des OSI-Referenzmodells regelt. Im Wesentlichen geht es darum, Standard-Ethernet deterministisch zu machen. Hierdurch werden auch die Grundlagen dafür gelegt, dass unterschiedliche Arten von Datenverkehr dasselbe Netzwerk nutzen können – eine Voraussetzung für Konvergenz.
Konkret ermöglicht TSN die genaue Kenntnis der Zeit, die der Datenverkehr in einem Netzwerk benötigt, sowie der Verzögerungen (‚Latenz‘) und Schwankungen der Übertragungszeit (‚Jitter‘). Latenz und Jitter waren wesentliche Gründe dafür, dass Ethernet sich im industriellen Bereich nur vergleichsweise langsam durchsetzen konnte. Schließlich kann die IT-Welt weitaus toleranter mit Latenz und Jitter umgehen, als es für die meisten industriellen Prozesse möglich wäre. Da Ethernet ursprünglich nicht garantieren konnte, wann bestimmte Ereignisse eintreten würden (ein Mangel an Determinismus), war es für viele Maschinenanwendungen ungeeignet, wo unzureichender Determinismus mindere Qualität oder gar Maschinenschäden verursacht.
Einige offene Kommunikationsprotokolle, wie z.B. CC-Link IE, boten Lösungen für diese Herausforderungen und werden in Kombination mit TSN auch künftig grundlegende Funktionen für Industrie 4.0 bereitstellen.
Determinismus ist von größter Bedeutung für industrielle Automatisierungsanwendungen, in denen Prozessereignisse mit höchster Präzision gesteuert werden müssen, beispielsweise bei geregelten Highspeed-Motion-Control-Anwendungen. In diesen Fällen ist die berechenbare und zuverlässige Verfügbarkeit von Informationen in Echtzeit entscheidend für die Aufrechterhaltung des Systembetriebs.
Druckmaschinen produzieren z.B. Tausende identischer Druckerzeugnisse pro Stunde, wobei die Druckqualität nur durch eine äußerst präzise Passung der einzelnen Prozessfarben zu gewährleisten ist. Auch die meisten Verpackungslinien produzieren pro Stunde Stückzahlen, die in die Tausende gehen – mit minimalem Ausschuss. Moderne Werkzeugmaschinen kombinieren Highspeed-Bearbeitung mit Präzision im Nanometerbereich. Damit all diese Systeme die erforderliche Leistung und das verlangte Qualitätsniveau liefern können, muss die Steuerung – das heißt die Übertragung aller relevanten Daten – konsequent innerhalb festgelegter Zeitfenster stattfinden.
Obwohl Determinismus elementar ist, darf man aber nicht davon ausgehen, dass wir mit TSN jetzt alles haben, was wir für Industrie 4.0 brauchen. TSN ist nur die Basis für umfassende Konvergenz. Bei früheren offenen industriellen Ethernet-Protokollen hatten wir bereits die Möglichkeit, verschiedene Arten von Datenverkehr zu mischen. Allerdings ging es dabei im Allgemeinen nur um Aufgaben der Maschinensteuerung – E/A-Daten, Safety und Motion Control. Andere Datenarten miteinzubinden, z. B. Videobilder eines Bildverarbeitungssystems über TCP/IP, war im Allgemeinen nicht möglich.
Während diese Protokolle also eine Möglichkeit boten, Ethernet für industrielle Anwendungen deterministisch zu machen und das hervorbrachten, was wir heute als ‚Industrial Ethernet‘ bezeichnen, boten sie jedoch keinen Lösungsansatz im Hinblick auf die Konvergenz. Mit dem gegenwärtigen Trend zu TSN scheint dieses fehlende Puzzleteil nun endlich gefunden zu sein. Wir werden sehen, wie TSN die erforderlichen Mechanismen für die Koexistenz aller Arten von Datenverkehr im selben Netzwerk bereitstellt und somit endlich die notwendige Konvergenz für die von Industrie 4.0 geforderte Transparenz ermöglicht.
TSN-Standards
TSN wird durch die IEEE 802.1-Ethernet-Spezifikationen [2] definiert. Hier werden u.a. Zeitsynchronisation und Priorisierung des Datenflusses festgelegt und somit die entscheidenden Merkmale für deterministische Funktionen geschaffen und folglich Konvergenz ermöglicht.
1. IEEE 802.1AS – Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications (Zeitsynchronisation)
Zeitsynchronisation [3] ist die Grundvoraussetzung für Determinismus, da sie sicherstellt, dass sich alle Geräte in einem Netzwerk nach derselben Uhr richten. Ist es beispielsweise 10:00 Uhr morgens, ‚wissen‘ das alle Geräte im Netzwerk, und ihre Aktionen werden anhand derselben Uhr synchronisiert. So lässt sich die Wahrscheinlichkeit von Zeitverschiebungen minimieren, die zu Verzögerungen und Schwankungen (Latenz und Jitter) bei der Datenübertragung führen können, und die pünktliche, berechenbare Übertragung von kritischem Datenverkehr wird möglich. Um diese Fähigkeit zu implementieren, lehnt sich die IEEE 802.1AS an das Precision Time Protocol (PTP) [4] nach IEEE 1588 an.
2. IEEE 802.1 Qbv – Enhancements for Scheduled Traffic (Scheduler)
Wenn im Netzwerk eine gemeinsame Referenzzeit gilt, definiert IEEE 802.1 Qbv ‚Time Aware Shapers‘ [5]. Diese definieren bestimmte Zeitfenster (‚Slots‘), die den verschiedenen Arten von Netzwerkverkehr abhängig von ihrer Priorität zugewiesen werden. So würde beispielsweise dem Datenverkehr im Zusammenhang mit einem Not-Aus-Ereignis Vorrang vor den Videoframes des Bildverarbeitungssystems eingeräumt. Durch Zuweisung dieser Slots mithilfe des Zeitmultiplexverfahrens (Time Division Multiple Access, TDMA) können verschiedene Arten von Datenverkehr auf berechenbare Weise über das Netzwerk geleitet werden, was die deterministische Kommunikation zusätzlich unterstützt. Das Verfahren fördert auf diese Weise die Konvergenz und optimiert zugleich die Ausnutzung der Netzwerkbandbreite.
3. Weitere IEEE 802.1-Standards
Neben diesen zentralen Funktionen gibt es zahlreiche weitere IEEE 802.1-Standards in Bezug auf TSN (derzeit etwa 30), die entweder bereits veröffentlicht oder noch in der Entwicklung sind. Viele von diesen Standards sind für industrielle Anwendungen nicht relevant, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass TSN ursprünglich für professionelle audiovisuelle Systeme entwickelt wurde. Aus diesem Grund werden diese weiteren Standards in diesem Sonderteil nicht genannt.
4. Weiterentwicklung der TSN-Standards
Wie alle Technologien entwickeln sich die IEEE 802.1-Standards, die TSN definieren, ständig weiter. Bestehende Standards werden detailliert erweitert, während neue Standards entstehen. Doch obwohl die Entwicklung weitergeht, ist die Technologie reif genug für die Umsetzung in Projekten. Die Weiterentwicklung der Technologie hat durchaus Vorteile – die Änderungen werden den jeweils aktuellen Anforderungen Rechnung tragen und nicht so bald veraltet sein. Diese Evolution der Technologie ist daher positiv zu sehen.
Unproblematisch ist die Weiterentwicklung auch deshalb, weil die Ethernet-Standards stets abwärtskompatibel waren. Die Technologie gibt es bereits seit rund vierzig Jahren, und in der Regel können ältere Geräte noch immer mit neueren Systemen kombiniert werden. Es ist davon auszugehen, dass dies auch bei TSN der Fall sein wird. Daher können Unternehmen, deren Projekte zeitnah realisiert werden müssen, ruhigen Gewissens TSN einschließen, das aller Voraussicht nach auch noch in einigen Jahren Stand der Technik sein wird. Es besteht keine Notwendigkeit, auf einen ungewissen Zeitpunkt in der Zukunft zu warten, an dem TSN ‚bereit‘ sein wird, da dieser Moment des Stillstands vermutlich nie eintreten wird. Ein analoges Beispiel ist die Mobiltelefonie: Während sich die Mobilfunknetze von 2G über 3G und 4G zu 5G entwickelt haben, musste niemals die nächste Generation abgewartet werden.
Diese Zuversicht wird durch das Projekt IEC/IEEE 60802 [6] über die Verwendung von TSN in der Industrieautomation weiter unterstützt. Aufgabe dieses Projekts ist es, standardisierte Profile für die Verwendung der Technologie in unterschiedlichen Applikationen zu definieren.
Zukunftsorientierte Unternehmen, die auf diese innovative Technologie setzen, profitieren daher von einem Migrationspfad, also einer Entwicklungstendenz, die nicht nur den aktuellen Anforderungen gerecht wird, sondern auch eine Möglichkeit bietet, für zukünftige Bedürfnisse vorzusorgen. Mit TSN können Unternehmen jetzt auf eine Lösung zurückgreifen, die sie bei der Verbesserung ihrer derzeitigen Systeme und Abläufe unterstützt und noch Potenzial für zukünftige Optimierungen mitbringt.
5. Die Bedeutung der Bandbreite
Ein letzter wichtiger Aspekt bei TSN-Netzwerken ist die Bandbreite. Über den Determinismus hinaus ermöglichen die TSN-Standards dem industriellen Ethernet typischerweise, diese feste Größe effizienter auszunutzen.
Die TSN-Priorisierungsfunktionen weisen verschiedene Bandbreitenbereiche selektiv so zu, dass der gesamte Datenverkehr im Netzwerk fließen kann, ohne dass weniger kritische Daten die Datenströme mit höherer Priorität behindern. In der Vergangenheit arbeiteten viele Industrial-Ethernet-Technologien mit 100MBit Bandbreite. Zwar ermöglicht TSN eine maximal effektive Nutzung dieser Bandbreite, doch treibt die Zunahme des durch Industrie 4.0 generierten Datenvolumens den Bedarf an der GBit-Bandbreite voran. TSN wird von diesem Trend profitieren. Auch wenn TSN die Ausnutzung der Bandbreite verbessert, liegt es auf der Hand, dass eine breitere Kommunikationskanalbandbreite, genannt ‚Pipe‘, weniger Kompromisse zwischen den Verkehrsarten verlangt, was einer Leistungssteigerung bei der Übertragung der weniger kritischen Datenströme gleichkommt.
Die GBit-Bandbreite beendet die Notwendigkeit, mehrere Netzwerke vorhalten zu müssen, nur um gelegentliche Datenverkehrsspitzen bewältigen zu können. Die Umstellung auf GBit sorgt dafür, dass ein einzelnes Netzwerk erhöhten Anforderungen an die Bandbreite gerecht werden kann. TSN gewährleistet dabei, dass diese bei steigendem Verkehrsaufkommen möglichst effizient genutzt wird.
Hierdurch wird zukünftig der Aufbau von Systemen ermöglicht, in denen verschiedene Industrial-Ethernet-Protokolle zusammen mit dem konventionellen TCP/IP-Verkehr in einem einzigen Netzwerk zusammengezogen werden, um die Kosten zu senken, die Produktivität zu steigern und die Transparenz zu verbessern.
Kapitel 2: Vorteile von TSN
TSN kann Standard-Ethernet deterministisch machen und damit die Voraussetzungen für Konvergenz schaffen
Wie im vorherigen Kapitel erörtert, hat TSN die Aufgabe, Standard-Ethernet deterministisch zu machen. Dadurch ist es möglich, Daten auf berechenbare Weise zur Verfügung zu stellen und konvergierte Netzwerke zu realisieren. Somit profitieren von dieser Technologie Automatisierungsanbieter, Maschinenbauer und Endanwender im gleichen Maße.
Für Anbieter: Die Möglichkeit, Geräte zu entwickeln, die Latenz und Jitter mit Präzision begegnen und gleichzeitig in der Lage sind, sich Netzwerke mit Geräten mit anderen Arten von Datenverkehr zu teilen. Diese Geräte werden die Schlüsselkomponenten zukünftiger Automatisierungssysteme sein.
Für Maschinenbauer: Die Möglichkeit, Systeme zu konstruieren, die weniger komplex, kostengünstiger und leichter zu warten sind, weil durch die von TSN ermöglichte Konvergenz der gesamte Datenverkehr über ein und dasselbe Netzwerk abgewickelt werden kann.
Für Endanwender: Nutzung der Transparenz, die diese konvergierten Netzwerke bieten, um Prozesse besser zu verstehen und somit optimieren zu können.
Die Vorteile konvergierter Netzwerke
In der Vergangenheit war es üblich, mehrere Netzwerke zu haben, die jeweils für eine bestimmte Aufgabe spezialisiert waren. Eines war beispielsweise allgemeinen Steuerungsaufgaben vorbehalten, wie der Kommunikation zwischen SPSen, E/A- und ähnlichen Geräten. Ein weiteres Netzwerk war für die Kommunikation für Sicherheitsfunktionen, wie Not-Aus, Lichtvorhänge und Sicherheitssteuerungen, reserviert. Des Weiteren konnte ein separates Motion-Control-Netzwerk für die Kommunikation von Servos, Antrieben, Encodern und Motion Controllern vorhanden sein.
Diese isolierten Systeme zusammenarbeiten zu lassen, war oft eine technische Herausforderung. Entsprechend lang waren die Projektdauer und die Produkteinführungszeit. Die Kosten waren hoch und Leistungsmaximierung oder Wartung oft ein Kernproblem.
Vor diesem Hintergrund ermöglichen viele moderne Industrial-Ethernet-Technologien die Kombination von allgemeiner Steuerung, Motion Control und Safety in einem Netzwerk, was schon erhebliche Verbesserungen bedeutet.
Industrie 4.0 verlangt den Endanwendern jedoch noch mehr ab. Um die in der Übersicht skizzierten Herausforderungen zu überwinden, muss das Ethernet die Konvergenz aller Arten von Netzwerken und Verkehrsarten unterstützen, die typischerweise in industriellen Umgebungen vorkommen. Das schließt auch die Integration von Geräten wie Barcodelesegeräten, Vision-Systemen und Druckern ein, die normale Ethernet-Netzwerke ohne spezielles Industrieprotokoll verwenden können.
Außerdem entwickelt sich die Fertigung im Laufe der Zeit weiter, wobei verschiedene Projekte mit unterschiedlichen Kommunikationstechnologien arbeiten. So sind in vielen Fabriken diverse inkompatible Industrial-Ethernet-‚Inseln‘ zu finden. Da der uneinheitliche Datenverkehr nur schwer in Einklang zu bringen ist, um einen Gesamtüberblick zu gewinnen, leidet die Prozesstransparenz. Entsprechend schwierig sind Management und Optimierung. Wenn sich diese ungleichen Datenströme mittels TSN ein Netzwerk teilen, gehören derartige Inseln der Vergangenheit an. Als weiteres Beispiel kann hier die Erweiterung einer Produktionslinie genannt werden, wo schon bestehende Ethernet-basierende Netzwerke in das TSN-Netzwerk integriert werden können.
Mit TSN können Anwender sogar noch einen Schritt weiter gehen: Je mehr das Konzeptmodell von Industrie 4.0 Gestalt annimmt, desto stärker halten gängige IT-Technologien wie Cloud Computing Einzug in die Fertigung. Auch wenn viele Cloud-Systeme theoretisch große Mengen an Anlagendaten aufnehmen können, ist es in der Praxis gar nicht notwendig, dass diese IT-Systeme jedes kleinste Detail des Maschinenbetriebs verfolgen. Hier kommen die sogenannten ‚Edge-Server‘ ins Spiel. Sie erfüllen Filterfunktionen, die nur die wichtigsten Daten in die Cloud schicken. Hier werden sie zu Informationen aufbereitet, um solide Prozesskenntnisse zu liefern. Es ist offenkundig, dass Netzwerkarchitekturen, die einen einzigen, konvergierten Datenstrom an diese Edge-Server liefern, bessere Ausgangsbedingungen für Betrieb und Optimierung bieten. Dies ist einer der zentralen Treiber für die ‚OT/IT‘-Konvergenz, wobei ‚OT‘ (Operational Technology) für die Systeme der Fertigung steht.
[Bild 5 – Grafik aus unserem vorherigen White Paper auf S. 6. verwenden. Wir sollten sie ändern, um den OT/IT-Aspekt klarer darzustellen. (Derzeit steht hier nur ‚TCP/IP‘.) Wir sollten sie außerdem netzwerkneutral machen.]
Die wirtschaftlichen Vorteile
Zusammenfassend lässt sich der Automatisierungsmarkt als eine Zweckgemeinschaft von Endanwendern betrachten, die ihre Projekte beim Maschinenbauer spezifizieren, der dann seinerseits nach Anbietern sucht, die ihm Produkte und Lösungen für diesen Anforderungskatalog liefern können. TSN kann allen Marktteilnehmern folgende Vorteile bieten:
1. Einfachere Netzwerk-/Maschinenarchitekturen
Im Allgemeinen kann der Endanwender die Anzahl der für seinen Betrieb erforderlichen Netzwerke auf ein einziges reduzieren. So kann auch der Maschinenbauer deutlich kostengünstiger anbieten, da weniger Material benötigt wird und auch der Engineering-Aufwand für Auslegung, Konfiguration und Installation von Netzwerksystemen auf ein Minimum sinkt. Dabei können bestehende Ethernet-basierende Netzwerke mit in ein neues TSN-Netzwerk eingebunden werden, was somit die getätigten Investitionen sichert. Zudem verkürzt sich die Projektdauer für komplette Fabrikautomatisierungsvorhaben.
2. Größere Prozesstransparenz und besseres Management
Die durch TSN unterstützte Konvergenz erleichtert den Datenaustausch zwischen den Unternehmensebenen und liefert dem Endanwender mehr Prozesstransparenz. Letzten Endes bedeutet Transparenz, mehr Daten aus industriellen Prozessen extrahieren und analysieren zu können, um so zu aussagekräftigen Informationen zu gelangen, die zu einem besseren Verständnis der Betriebsabläufe der Fertigung beitragen. Diese Erkenntnisse können dann zur Optimierung von Performance, Produktivität, Effizienz und Endproduktqualität genutzt werden.
3. Höhere Produktivität
Indem TSN den Aufbau von Einzelnetzwerken unterstützt, die alle Arten von Datenverkehr übertragen, lassen sich Fehler und potenzielle Probleme leichter lokalisieren und beheben. Daher können Ausfallzeiten aufgrund von Wartungs- oder Reparaturarbeiten reduziert und die Gesamtverfügbarkeit erhöht werden. So wird das gesamte Fertigungssystem beim Endanwender produktiver.
4. Bessere Integration von OT- und IT-Systemen
Durch die Konvergenz verschiedener Arten von Prozessdaten eröffnet TSN eine wichtige Möglichkeit zur Zusammenführung von OT und IT. Diese Konvergenz ist ein notwendiges Kriterium für die datengesteuerte, intelligente Fertigung, da sie durch die gemeinsame Nutzung und Verwertung aussagekräftiger Informationen Innovation und Zusammenarbeit im gesamten Unternehmen fördert. Folglich können Geräteanbieter durch die Einbettung von TSN-Funktionen in ihre Produkte Lösungen mit verbesserter Interoperabilität sowie der Möglichkeit anbieten, Gerätedaten über Cloud-Konnektivität unternehmensweit sichtbar zu machen.
Kapitel 3: Was TSN nicht kann
TSN ist eine ‚Traffic Pipe‘
Da TSN auf Schicht 2 der OSI-Hierarchie angesiedelt ist, soll es nur sicherstellen, dass die Daten – die ‚Einsen‘ und ‚Nullen‘ – mit berechenbarer Latenz und vorhersagbarem Jitter von A nach B gelangen. TSN legt damit die notwendige, deterministische Grundlage für die Netzwerkkonvergenz – nicht mehr und nicht weniger.
Während sich hierdurch die Eignung von Ethernet für die industrielle Kommunikation verbessert, darf man nicht vergessen, dass TSN letztlich eine ‚Traffic Pipe‘ ist. Für TSN ist es nicht von Belang, für welche Anwendungsfunktionen die Einsen und Nullen stehen. Somit gibt es bei Automatisierungssystemen viele Aspekte, die TSN selbst nicht anspricht.
Übergeordnete anwendungsbezogene Funktionen wie Safety, Motion-Control und Geräteprofile für eine einfache Netzwerkkonfiguration und -wartung werden weiterhin benötigt. TSN selbst bietet keine dieser Funktionen an. Auf absehbare Zeit werden also weiterhin Protokolle auf höherer Ebene notwendig sein, um diese Funktionen zu realisieren. Als ‚Traffic Pipe‘ ignoriert TSN auch Themen wie Cybersicherheit, die in den vergangenen Jahren für den Automatisierungssektor immer wichtiger geworden sind.
Dennoch müssen auch diese Protokolle mit TSN kompatibel sein, damit die beschriebenen Vorteile konvergierter Netzwerke zum Tragen kommen. Unternehmen, die jetzt Fabrikautomatisierungsprojekte realisieren, sollten daher idealerweise nach offenen Netzwerktechnologien Ausschau halten, die ihre derzeitigen Anforderungen erfüllen. Sie sollten z.B. GBit-Bandbreite für die Anforderungen von Industrie 4.0 bereitstellen und mit TSN gleichzeitig aufwärtskompatibel sein.
Kapitel 4: TSN: Zeit zum Handeln
Welche Bedeutung der TSN-Technologie zukommt, lässt sich daran erkennen, dass viele Normungsgremien und Industrial-Ethernet-Organisationen diese Technologie in ihr Portfolio aufgenommen haben. Ihre Arbeit schafft eine solide Grundlage für die Daten- und Informationsintegration zwischen all den komplexen, verschiedenen Geräten und Anwendungen, die bisher autonome ‚Automatisierungsinseln‘ darstellten.
