Standardisierter Weg in die Echtzeit
Profinet und TSN sind Enabler für die Industrie 4.0
Es ist nur eine Frage der Zeit, bis TSN (Time-Sensitive Network) seinen Weg in die breite Anwendung findet. TSN ist schon heute ein Teil des weltweit akzeptierten Ethernet-Standards und unterstützt bei weitem nicht nur Motion-Control-Applikationen. Gerade aktuelle - auf Ethernet basierende - Entwicklungen, wie 5G oder konvergente Netzwerke, greifen auf diese TSN-Mechanismen zurück. Daher müssen sich im Grunde alle Nutzer von Ethernet mit der Technologie auseinandersetzen. Profinet International (PI) weist hierbei den Weg.

Konvergente offene Echtzeit

Ein weiterer Schwerpunkt bei der Entwicklung lag auf der konvergenten offenen Echtzeit. Dies bedeutet, dass IT und OT auf der gleichen Leitung laufen und überall der gleiche Mechanismus angewandt wird, unabhängig vom überlagerten Protokoll. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Protokolle, also z.B. IO-Kommunikation mit Profinet und Controller-to-Controller-Kommunikation mit OPC UA, parallel in Echtzeit funktionieren. Natürlich können auch weitere Anwendungen in Echtzeit im gleichen Netzwerk, ja sogar über dasselbe Kabel kommunizieren. Damit diese Konvergenz sinnvoll anwendbar ist, ist ein abgestimmtes Engineering der TSN-Parameter notwendig.

Komplexität vereinfachen

 Nur sehr wenige Parameter sind für das Engineering eines TSN-Netzwerkes notwendig. Die Berechnung der Parameter erfolgt automatisch.
Nur sehr wenige Parameter sind für das Engineering eines TSN-Netzwerkes notwendig. Die Berechnung der Parameter erfolgt automatisch.Bild: Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)

Die Kombination aus Profinet und TSN vereinfacht den Automatisierungsalltag. Heute ist die Netzwerkkonfiguration (also das Festlegen der Kommunikationspfade von der Steuerung zum Device und Netzwerkparameter) Teil des Engineerings. In Zukunft wird diese Aufgabe in die Software der Profinet-Geräte überführt und ist damit Teil der Runtime im Controller bzw. Device. Damit lässt sich die Neuberechnung der Pfade ohne Engineering vornehmen. Der Anwender muss für die Konfigurationsberechnung damit nur noch einfache Regeln für das Netzwerk festlegen. Diese Einstellungen sind schnell erledigt, zumal sie für das gesamte Netzwerk (die gesamte Domain) festgelegt werden und nicht pro Gerät. Dies reduziert den Aufwand beträchtlich. Auch eine Soll-Topologie-Erstellung im Engineering ist nicht mehr notwendig – aber bei Bedarf weiterhin möglich. All dies entlastet den Anwender und erhöht die Flexibilität. Das Verhalten des Netzwerkes lässt sich zudem vorab berechnen, so dass Planung, Simulation oder ein Digital Twin mit Netzwerkdetails angereichert werden können. Weiter lag ein besonderer Fokus auf dem Zusammenspiel mit bestehenden Netzwerken/Geräten. Das Domänenschutzkonzept bietet Schutz der zugesagten Robustheit und Quality of Service. Nicht-Echtzeit-Verkehr wird an den Grenzen in eine niederpriore Queue eingeordnet, Profinet-Daten von Geräten außerhalb der TSN-Domäne aber in eine höherpriore. Diese wurde mit verschiedenen Stressszenarien, also Tests durch beliebig hohe Einspeisung und Telegrammtypen, überprüft. Es handelt sich also um ein Zellschutzkonzept auf Ethernet-Ebene. Damit wird das Netzwerk robust.

Was ändert sich?

 Bestehende Profinet-Geräte können an TSN-Domänen angeschlossen werden, die Daten werden bevorzugt durchgeleitet.
Bestehende Profinet-Geräte können an TSN-Domänen angeschlossen werden, die Daten werden bevorzugt durchgeleitet.Bild: Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)

Die Profinet Spezifikation 2.4 und IEC/IEEE-Spezifikationen sind vor allem für die Entwickler der Basistechnologie von Hard- und Firmware notwendige Grundlagen. Für den Anwender ändert sich durch die neue Kombination zunächst wenig. Das Gerätemodell, also der Zugriff auf IO- und azyklische Daten wie Parameter und Diagnosewerte, bleibt unverändert, da die neuen TSN-Mechanismen im Wesentlichen in den unterlagerten Kommunikationsschichten wirken. Gleiches gilt für die Profinet-Applikationsprofile, wie PROFIdrive, PROFIsafe etc. Es ist auch nicht nötig, die Applikation umzuprogrammieren. Lediglich bei der Netzwerkkonfiguration müssen ein paar Häkchen anders gesetzt werden. Auch für den Gerätehersteller bleibt die Applikation gleich, er setzt eine neue Hardware ein. Sie bedienen sich einfach der entsprechenden Stacks oder Module, müssen also – wie bisher – nicht die Details verstehen oder gar selbst implementieren. Dabei haben sie die Wahl, ob TSN mit der alten Gerätefamilie genutzt wird oder ob man einen Schritt weiter geht, und eine neue Gerätefamilie ausschließlich mit TSN einsetzt. Dadurch können Gerätehersteller einfach ihr bestehendes Profinet-Portfolio um TSN ergänzen. Und der Weg ist geebnet für die Integration zusätzlicher Dienste und Funktionen der Geräte, z.B. eine Verbindung zu einer Edge-Applikation.

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