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Vom Feldbuskrieg zu Time-Sensitive Networking

Warum TSN als Hebel für die Feldebene gilt

Wollen Unternehmen für Industrie 4.0-Projekte ihre Netzwerkinfrastruktur modernisieren, kommt schnell die Frage auf, was ein Industrienetzwerk zukunftsfähig macht. Höchste Zeit, das Time-Sensitive Networking genauer unter die Lupe zu nehmen.

Mit den Bedürfnissen der Fertigungsindustrie haben sich im Laufe der Jahre auch die Netzwerkinfrastrukturen für die industrielle Kommunikation weiterentwickelt. (Bild: ©ipopba/iStock.com)

Mit den Bedürfnissen der Fertigungsindustrie haben sich im Laufe der Jahre auch die Netzwerkinfrastrukturen für die industrielle Kommunikation weiterentwickelt. (Bild: ©ipopba/iStock.com)

Ursprünglich gab es in der Automatisierung keine Netzwerke. Verbindungen wurden umständlich über diskrete Verdrahtung hergestellt. Diese wurden in den 1980er Jahren von diversen offenen Feldbussen abgelöst, die jedoch untereinander inkompatibel waren. So entbrannte ein erbitterter Kampf um die Marktdominanz, die sogenannten Feldbuskriege. Die Visionäre der Netzwerktechnik erkannten bald, dass diesem Ansatz ein begrenzter Erfolg beschieden würde und die Zukunft den offenen, interoperablen Lösungen gehört. So setzten die nachfolgenden Netzwerktechnologien auf das offene, standardisierte Ethernet. Hiermit wurde industrielles Ethernet zu einem Standard in der industriellen Kommunikation und Fabrikautomation, und die Infrastrukturen wurden einheitlicher. Die neue Lösung bot zudem eine höhere Transparenz, sodass die Operational Technology (OT) der Fertigung einfacher mit der Informationstechnologie (IT) integriert und Safety-, Motion- und normale Control-Funktionen in einem Netzwerk vereint werden konnten. Doch obwohl die Übertragungsschicht nun standardisiert war, ließ sich ein deterministischer Betrieb nur mit bestimmten Protokollen erreichen, die noch immer nicht interoperabel waren. Alle Komponenten im Netzwerk mussten dasselbe Protokoll verwenden.

Künftige industrielle Netze

Auch wenn das industrielle Ethernet viele anfängliche Herausforderungen der industriellen Kommunikation inzwischen überwunden hat, ist die Entwicklung noch nicht abgeschlossen. Es gibt noch erhebliches Optimierungspotenzial und mit dem Zug in Richtung Industrie 4.0 kommen weitere Anforderungen hinzu. Vor allem gibt es, wie bereits erwähnt, unterschiedliche industrielle Ethernet-Protokolle, die zwar Wahlfreiheit bei Komponenten zulassen, im Allgemeinen nicht interoperabel sind. Industrie 4.0-Anwendungen generieren große Mengen an Daten, die vielen verschiedenen Bereichen innerhalb der Fabrik zur Verfügung gestellt werden müssen. Der reibungslose Informationsfluss zwischen den Automatisierungsinseln ist enorm wichtig geworden. Uneinheitliche industrielle Ethernet-Protokolle können das nicht ohne Weiteres leisten. Connected Industries, das von Japan ausgehende Pendant zum deutschen Konzept einer Industrie 4.0, fordert zudem die Konvergenz von OT und übergeordneter IT. Zukunftssichere industrielle Netzwerke müssen daher auch den Datenaustausch zwischen diesen beiden Welten unterstützen. Das industrielle Netzwerk sollte künftig eine einheitliche Architektur besitzen, über die sich alle Komponenten miteinander verbinden lassen, wobei deren Anzahl ebenso wenig eine Rolle spielt wie ihr Standort. Außerdem muss dieses Idealsystem leicht zu warten, sicher, deterministisch und hochproduktiv sein.

Warten ist kaum die Option

Noch gibt es dieses Idealnetzwerk nicht. Wer sich aber die Anforderungen bewusst macht, kann leichter die Technologien identifizieren, die zukunftssichere industrielle Kommunikation versprechen. Angesichts der Lebenszyklen in der Automatisierung können Unternehmen schließlich mit der Aktualisierung ihrer Systeme nicht auf das Idealsystem warten. Well also Projekte heute eine Modernisierun erfordern, dann sollten möglichst zukunftsfähige Netzwerklösungen implementiert werden. Die Netzwerkbandbreite spielt ebenfalls eine elementare Rolle, da die Big-Data-Anwendungen zentale Elemente von Industrie 4.0- und Connected Industries-Szenarien sind.

TSN in der Automatisierung

Neben der Bandbreite dürfte Time-Sensitive Networking (TSN) künftig eine Schlüsselrolle spielen, denn TSN ermöglicht die Zusammenführung verschiedener Arten von Datenverkehr in einem Netzwerk. So unterstützt TSN die Kombination von Steuerungsdaten und Standard-TCP/IP-Verkehr, wie Videodaten von Bildverarbeitungssystemen für Inspektionsaufgaben. Insbesondere ermöglicht TSN die Priorisierung dringlicher Datenverkehrs. So lässt sich ein Netzwerk für verschiedene Arten von Daten nutzen, ohne die Übertragungsgeschwindigkeit auszubremsen. Weil größere Datenmengen über das Netzwerk geschickt werden können, wird dieses effizienter ausgenutzt, das heißt die Gesamtbetriebskosten sinken. Da Standard-Ethernet durch TSN grundsätzlich deterministisch wird, könnte man meinen, die industriellen Ethernet-Protokolle seien nicht mehr erforderlich. Doch bislang ist TSN lediglich ein Datenübertragungskanal und kann gängige Anforderungen von Motion Control, funktionaler Sicherheit, Geräteprofilen nicht ohne Weiteres erfüllen. Technologien wie Field Level Communications (FLC) für OPC UA setzen sich hiermit auseinander, aber noch ist unklar, wann die FLC-Initiative die notwendige Reife erreicht. Gewiss ist eines: TSN bleibt auf Sicht eines der spannendsten Entwicklungsfelder im Bereich der industriellen Kommunikation.


Eine Brücke zwischen den Technologien

Bei allem Potenzial von TSN müssen Produktionsunternehmen bei der Wahl neuer Infrastrukturkomponenten zunächst an aktuelle Anforderungen denken. Um die Lücke zu kommenden Technologiesprüngen zu schließen, hat die CC-Link Partner Association (CCPA) im Jahr 2018 die Spezifikation CC-Link IE TSN vorgestellt. Die CCPA ist ein Zusammenschluss der Hersteller und Anwender CC‑Link-kompatibler Produkte und Technologien. Wie die Organisation mitteilt, handelt es sich bei CC-Link IE TSN um das erste offene Industrial Ethernet mit Gigabit-Bandbreite und TSN-Funktionen. Es kann Motion-Control-Anwendungen handhaben und bietet die Möglichkeit, Geräte entweder mit von Software- oder Hardwarelösungen zu implementieren. Dabei unterstützt das Ethernet Übertragungsraten von sowohl 100-MBit/s als auch 1GBit/s.


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