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.
 Die Erfassung von zusätzlichen Daten über verschiedene Wege ist essentiell für Industrie-4.0-Anwendungen.
Die Erfassung von zusätzlichen Daten über verschiedene Wege ist essentiell für Industrie-4.0-Anwendungen.Bild: Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)

Die Experten von PI engagierten sich schon frühzeitig sowohl bei der Mitarbeit in den IEEE-Gremien als auch bei der Integration von Profinet. Wichtigster Aspekt aus Sicht der PI-Community war es zunächst, ein robustes und zuverlässiges TSN für die Industrie zu entwickeln. Nachdem die Kerntechnologie und Architektur stehen, geht es jetzt an die Detailarbeiten. So wird beispielsweise in diesen Tagen an einem Maintenance-Update für die Profinet-Spezifikation V2.4 gearbeitet. Die Community steht nicht still, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Immer größere Datenflüsse bewältigen

Für die erfolgreiche Umsetzung von Industrie-4.0-Anwendungen werden mehr Daten aus dem Feld benötigt. Diese können zusätzlich von den bestehenden IO-Geräten über parallele TCP/IP-Kanäle oder durch zusätzliche Komponenten bereit gestellt werden, die für die industrielle Automation bis dahin fremd waren. Gleiches gilt für neue Edge-Applikationen. Auch diese Apps brauchen Daten aus dem Feld, die heute schon zur Verfügung stehen, aber weder vom Controller benötigt noch vom Anwender ausgewertet werden. Für diese grundsätzliche Anforderung von immer mehr TCP/IP-Daten parallel zu den IO-Daten brauchen Anwender eine zukunftssichere Lösung. Die Problematik dabei ist, dass ein solch zusätzliches Standard-Ethernet (TCP/IP) sehr große Datenpakete enthält und nicht echtzeitfähig ist. Liegen größere TCP/IP-Datenpakete vor, blockieren diese den Kommunikationsweg und es ist für Realtime-Datenpakete nicht möglich, diese zu überholen. Dies verzögert nicht nur die Auslieferung der Daten-Pakete in jedem Switch, sondern es kommt regelrecht zu einem Stau im Gerät. Eine Tunnelung von TCP/IP-Daten in den IO-Daten ist kein tragfähiger und zukunftssicherer Ansatz, da neben zusätzlichen Aufwänden in Hard- und Firmware die Kapazität durch die Umkopierperformance deutlich eingeschränkt ist. Außerdem ist bei einem Stopp der zentralen Steuerung, z.B. bei einer Inbetriebsetzung oder im Fehlerfall, gar kein Zugriff möglich – genau in dem Augenblick, in dem gerade zusätzliche Diagnosewege greifen sollten. Zukünftig ist also für die Einbindung von Daten ein robuster und flexibler Mechanismus notwendig. Hier kommt TSN ins Spiel, das die konvergente Nutzung eines gemeinsamen Ethernet-Netzwerks für IT- und OT-Anwendungen erlaubt.

Stand der Technologie

Inzwischen ist die Entwicklung und Integration der entsprechenden TSN-Mechanismen zur Nutzung in der heutigen Automatisierungswelt recht weit. Das gesetzte Ziel von PI, TSN als zusätzliche Layer-2-Technik in die Profinet-Architektur zu integrieren, ist mit der aktuellen Profinet Spezifikation V2.4 erreicht. Damit können sowohl Hersteller als auch Anwender die Vorteile von TSN, wie zukunftssichere IEEE-Ethernet-Technik mit höherer Bandbreite, Deterministik, flexible Netzwerkkonfiguration und große Chipvielfalt, interoperabel umsetzen. Die Hersteller eines Profinet-Feldgerätes bedienen sich dann einfach der entsprechenden Bausteine und Stacks oder fertiger Technologiemodule. Damit eröffnen sich neue Anwendungsbereiche und Hardware-Designs für Controller; zudem können Feldgeräte flexibler mit diesen Standardchips realisiert werden.

 Die Priorisierung der verschiedenen Queues garantiert eine deterministische Übertragung
Die Priorisierung der verschiedenen Queues garantiert eine deterministische ÜbertragungBild: Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)

Wer hat Vorfahrt?

Zwei Schwerpunkte, worauf bei der Entwicklung von TSN und dessen Einbindung in Profinet geachtet wurde, sollen hier detaillierter beschrieben werden. Ein Designprinzip ist, dass es bei der Datenübertragung keinen Telegrammverlust (Zero Congestion loss) gibt. Nur so ist eine hohe Performance aller Teilnehmer in der Leitung und eine einfache Anwendung in Echtzeit möglich. Es ist leider nicht damit getan, die Pufferkapazitäten in den Bridges beliebig zu erhöhen. Zum einen ist dies schlicht zu teuer, gerade bei einfachen Anwendungen ist dies ein Ausschlusskriterium. Zum anderen entstehen dadurch Schwankungen im Netzwerk. Und schlussendlich wird man irgendwann an den Punkt kommen, dass auch diese Pufferkapazitäten nicht mehr ausreichen. Bei der Profinet- und bei den IEC/IEEE-Spezifikationen wurde dies u.a. durch eine geschickte Zuordnung von Pufferkapazitäten in Abhängigkeit von Zeiten gelöst. Dies geschieht über eine definierte Weiterleitung von Daten und deren Priorisierung. Außerdem wird durch den sogenannten Preemption-Mechanismus ein langes niederpriores Telegramm unterbrochen und nach den garantierten Echtzeitdaten wieder automatisch fortgesetzt.

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.

Das ‚Who is who‘ von IT und OT

Ein weiterer Vorteil: Die Kombination aus Profinet und TSN gibt einen standardisierten Weg in die Echtzeit vor. TSN ist bei den verschiedensten Hardware-Herstellern gesetzt. In den IEEE- und IEC-Arbeitsgruppen für Ethernet arbeiten Experten aus allen bedeutenden OT- und IT- Bereichen für eine durchgängige Lösung zusammen. Dadurch hat der Gerätehersteller eine große Auswahl, um eine optimale Lösung zu entwickeln. Außerdem profitiert die Automatisierungstechnik von den Millionenstückzahlen der Automotive oder anderen Branchen. Dank der großen Community und ihren Erfahrungen werden neue Ideen in den Markt gebracht. Durch diese Offenheit für die TSN-Technologie gibt es – wie schon immer bei Profinet – keine Abhängigkeit von der Roadmap oder Patenten eines Herstellers. Das erleichtert Anwendern den Einstieg in die neue Technologie und eröffnet neue Industrie-4.0-Anwendungen, wie neue Wartungskonzepte, automatisierte Firmware-Updates, Diagnose oder Mehrwertdienste wie Pay-per-Use. Auch Trends, wie höhere Baudraten, 5G für Wireless-Anwendungen oder SPE, können schneller und unabhängig umgesetzt werden.

Ausblick

Da die Basistechnologie steht, liegt der Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten bei Profinet nicht auf den TSN-Mechanismen an sich, sondern deren Anwendung und Schulung. Dabei soll der Übergang in die neue Technologie für den Anwender beherrschbar sein. Derzeit diskutierte Fragen sind:

  • Wie ist ein TSN-Netzwerk aufzubauen und wie muss es konfiguriert werden?
  • Was bedeutet GBit?
  • Wie können bestehende Geräte und Anlagenteile angeschlossen werden?
  • Wie kann im gleichen Schritt die zunehmend notwendige vertikale Kommunikation zu überlagerten Systemen, wie z.B. Cloud/Edge, eingebaut werden?

Die derzeitige Profinet-Spezifikation bildet die Basis für die Erstellung von Testcases und die Implementierung des Profinet-Testers für die Zertifizierung. Ergänzt wird der Aufbruch ins TSN-Zeitalter durch zahlreiche Schulungen und Entwicklerworkshops. Eindeutiger Vorteil von TSN: Die Technologie ist von allen Automatisierungsherstellern anerkannt und für alle Branchen geeignet. Neben der Hardware wird sich daher schnell das Ökosystem erweitern, bestehend aus Dienstleitung, Service und Knowhow bei den Anwendern.

Profibus Nutzerorganisation
www.profibus.com

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