In zahlreichen Produktionshallen sorgen Feldgeräte, Sensoren und Automatisierungsgeräte für zuverlässige Prozesse und hohe Qualität. Das erfordert eine zuverlässige Datenübertragung. Schließlich steigt mit jedem neuen Feldgerät auch die Menge an Daten, die an die Steuerung übermittelt werden müssen. Je nach Information gibt es unterschiedliche Datentypen: Zum einen sind das jene, die in Echtzeit an die Steuerung gehen, etwa weil sie kritisch für die Produktion sind. Andere können verzögert übertragen werden, weil sie beispielsweise zur Energieoptimierung oder der Predictive Maintenance gebraucht werden. Aus diesem Grund ist in modernen Produktionsanlagen eine Priorisierung notwendig, die sicherstellt, dass die Echtzeitdaten zuerst und zuverlässig übertragen werden. Die Technologie des Time-Sensitive Networking (TSN) macht das möglich.
Zusammenführung von IT und OT
TSN ist jedoch kein Kommunikationsprotokoll wie OPC UA oder Profinet, sondern ein Set aus unterschiedlichen Standards. Die Technologie erlaubt die Synchronisierung von Feldgeräten und darauf aufbauend eine Priorisierung der vorliegenden Datenströme. Damit ermöglicht sie die Zusammenführung von den Ebenen der Operational Technology (OT) und der Information Technology (IT). Der Vorteil dieser Verbindung ist die vereinfachte Handhabbarkeit. Über TSN können sowohl Echtzeitdaten als auch datenintensive Anwendungen über Ethernet übermittelt werden, ohne sich dabei in die Quere zu kommen. TSN nutzt zur Kommunikation Stream- und Verkehrsklassen, durch die das System stets die jeweiligen Anforderungen kennt. Ein Controller in der Steuerung entscheidet darüber, welche Übertragung entsprechend priorisiert stattfindet.
Mit der immer stärkeren Vernetzung der Industrie 4.0 wird der Datenaustausch innerhalb der bisher oft eigenständig agierenden Automatisierungsinseln künftig deutlich wichtiger. Dementsprechend vielfältig sind die Anwendungsfelder von TSN. Dazu gehört etwa die Bewegungssteuerung von Robotikanwendungen, in denen die benötigten Netzwerkgeräte präzise synchronisiert sein müssen. Auch in der Fertigung von Lithiumbatterien, wie sie in Elektroautos verbaut werden, spielt Echtzeit eine immer größere Rolle. Über TSN werden die Bewegungen in der Fertigung der benötigten Folien, ihrer Beschichtung und Weiterverarbeitung entlang verschiedener Achsen ermöglicht. Hinzu kommen Bildverarbeitungs-, Steuerungs- oder Sicherheitsdaten, die über das gleiche Netzwerk übermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt macht TSN noch für deutlich mehr industrielle Anwendungen interessant. Über die Technologie erhalten Anwender die Möglichkeit zur gleichzeitigen Übertragung gängiger Kommunikationsprotokolle in der Industrie. Platzhirsche sind dabei OPC UA und Profinet TSN. Die Standardisierungsarbeit übernehmen IEC und IEEE in der Arbeitsgruppe IEC/IEEE60802-IA.
TSN beginnt bereits in der Entwicklung
Um die Effizienz der Anlagen mit TSN zu erhöhen braucht es aber auch die passende Hardware. Deshalb liegt bei der Entwicklung TSN-fähiger Komponenten wie Switche ein großer Fokus auf die reibungslose und zuverlässige Funktionsweise. Aber auch im Betrieb ist es mitnichten so, dass TSN-Systeme einmal geplant und realisiert werden und dann unendlich lange laufen. Stattdessen ändert sich die Zusammensetzung des Netzwerks immer wieder, zum Beispiel dann, wenn neue Geräte in die Anlage eingebracht werden. Mit jedem neuen Gerät ändert sich auch das Echtzeitverhalten des Netzwerks. Die Grundlage für den passenden Einsatz von TSN ist deshalb die Analyse des Datenverkehrs in Hinblick auf die richtige Funktionsweise. Dazu braucht es spezielle Diagnosegeräte wie den kompakten TSN-Analyzer, der von EKS Engel in Zusammenarbeit mit Innoroute und RealtimeIT entwickelt wurde. Mit ihm lassen sich Echtzeit-Netzwerke überwachen.
Die Funktionsweise eines TSN-Analyzers ist schnell erklärt: Über eine Ethernet-Schnittstelle sendet die Hardware einen Strom an Paketen an die getestete Komponente – zum Beispiel einen TSN-Switch. Über eine zweite Ethernet-Schnittstelle analysiert der TSN-Analyzer dann, ob die Priorisierung richtig abgelaufen ist. Schließlich wird das Gerät per USB-Schnittstelle an den Computer angeschlossen. Eine passende Software zeigt dann über eine verständliche grafische Oberfläche das Ergebnis und erlaubt so Anpassungen. Damit wird er zu einem Kernbestandteil bei der Entwicklung und im Test von TSN-fähigen Geräten.
Qualitätskontrolle des Netzwerks
Neben der Testung von Bauteilen ist mit dem TSN-Analyzer auch die dauerhafte Einbindung ins TSN-Netzwerk möglich. Anwender nutzen den Analyzer dann als Test Access Point (TAP). TAPs analysieren den Datenverkehr und überwachen so das Netzwerk. Durch die Echtzeitfähigkeit von TSN kommt dem Analyzer als TAP-Gerät eine wichtige Aufgabe zu: Mit ihm wird sichergestellt, ob die Priorisierung richtig abläuft.
