Time Sensitive Networking und Profibus/Profinet

Auf der Zielgeraden

TSN ist zwar in aller Munde, tatsächlich kennen viele Anwender den Begriff nur vom Hörensagen. Dabei eröffnet TSN neue Möglichkeiten, insbesondere können damit einheitliche Netzwerke für IT- und OT-Anwendungen geschaffen werden. PI hat sich daher schon frühzeitig mit dem Thema auseinandergesetzt. Das Ergebnis: Schon heute können Anwender in die TSN-Technologie einsteigen, ohne jedoch die installierte Technologiebasis zu vernachlässigen.
Lange TCP/IP Frames belegen den Sendeport und verzögern Realtime-Telegramme: Dies erzeugt Jitter, der von vielen Faktoren abhängig ist.
Lange TCP/IP Frames belegen den Sendeport und verzögern Realtime-Telegramme: Dies erzeugt Jitter, der von vielen Faktoren abhängig ist.Bild: Profibus & Profinet International (PI)

Viele Anwender stellen sich die Frage, warum TSN (Time Sensitive Network) die Kommunikationsplattform für zukünftige Automatisierungsaufgaben ist. Bei TSN handelt es sich um einen Oberbegriff für eine Sammlung von IEEE-Standards zur Verbesserung der Robustheit und Latenz von Ethernet. Die interessanteste Änderung für den Anwender ist, dass TSN unter anderem das Ziel verfolgt, konvergente und robuste Nutzung eines Ethernet-Netzwerks für IT- und OT-Anwendungen zu ermöglichen. Dies ist vor allem deshalb wichtig, weil in vielen Anlagen heute mehr Bandbreite benötigt wird. Mittlerweile werden in einer Anlage viele zusätzliche Komponenten integriert, z.B. PCs, deren Festplatten regelmäßig gesichert werden. Die Folge: Solche zusätzlichen Aktionen stressen das Netzwerk, da das Standard-Ethernet (TCP/IP) sehr große Datenpakete enthält und nicht echtzeitfähig ist. Zur Erklärung: Automatisierungs-Frames sind oft deutlich kürzer als Standard-Ethernet-Frames wie TCP/IP. „Eine Sekunde ist für Automatisierer sehr lang“, bestätigt Mirko Funke, Experte für TSN bei PI (Profibus & Profinet International). Derzeit wird z.B. in Profinet die Situation so gelöst, dass Real-Time-Daten gegenüber TCP/IP-Daten bevorzugt behandelt werden. Dadurch sind Buszykluszeiten im Bereich von wenigen Millisekunden erreichbar. Auch Isochronous Real Time (IRT) kann mit solchen Situationen umgehen. Der Unterschied zur Real-Time-Kommunikation liegt im Wesentlichen im Determinismus, so dass der Beginn eines Buszyklus mit höchster Präzision eingehalten wird. Hierbei wird die komplette Pfad- und Kommunikationsplanung vorher erledigt. Insbesondere für Netze mit hohen Anforderungen, wie sie etwa in Druckmaschinen benötigt werden, bei denen eine Vielzahl von Antrieben mit hoher Präzision synchron laufen müssen, wird daher IRT verwendet. „Ich bin mir sicher, dass selbst unter Volllast mit IRT ein zuverlässiges Netzwerk zur Verfügung steht“, so Funke. Es gibt aber Netzwerke, in denen die Situation anders aussieht. „Man kann die Datenübertragung durchaus mit einer Straßenführung vergleichen. Liegen größere TCP/IP-Datenpakete vor, blockieren diese die Straße und es ist für Realtime-Datenpakete nicht möglich, diese zu überholen“, ergänzt Funke. Dies verzögert nicht nur die Auslieferung der Datenpakete in jedem Switch, sondern es kommt regelrecht zu einem Stau im Gerät. „Es kann also in Zukunft Szenarien geben, wo man eine bedingungslose Bandbreitenreservierung benötigt – und hier kommt TSN ins Spiel.“ Dabei unterscheidet sich die Technologie für viele Anwender auf den ersten Blick gar nicht so sehr von TSN. „In der Tat nutzt IRT ähnliche Mechanismen wie TSN“, bestätigt Funke.

Frame Preemption: RT unterbricht TCP/IP / Fragment wird gespeichert / RT wird weitergeleitet / TCP/IP wird gesendet
Frame Preemption: RT unterbricht TCP/IP / Fragment wird gespeichert / RT wird weitergeleitet / TCP/IP wird gesendetBild: Profibus & Profinet International (PI)

Offen für die Zukunft

Für die Anwender von Profinet ändert sich erst einmal nicht viel. Der Vorteil von Profinet ist, dass es auf den IEEE802-Mechanismen basiert und sie dort erweitert wurden, wo sie nicht ausreichten, um die Automatisierungsaufgabe zu lösen. In den vergangenen Jahren wurden innerhalb der IEEE802 die unter TSN zusammengefassten Mechanismen nachgerüstet, die die zuvor notwendigen Erweiterungen von Profinet ersetzen können. Inzwischen ist die Entwicklung und Integration der entsprechenden TSN-Mechanismen zur Nutzung in der heutigen Automatisierungswelt recht weit. Wichtige, also für die industrielle Automatisierung relevante, Funktionen wurden bereits in die Standards aufgenommen und – oder werden demnächst – in Standardchips integriert. Damit eröffnen sich neue Anwendungsbereiche und HW Designs für Controller; zudem können Feldgeräte flexibler mit diesen Standardchips realisiert werden. Für PI ist es erklärtes Ziel, ein robustes Netzwerk zu erhalten, indem bestehende Technologien und TSN nebeneinander reibungslos funktionieren. „Für den Anwender ist es vor allem entscheidend, dass sie ihre gewohnte Netzwerkumgebung mit RT/IRT weiter nutzen und in TSN migrieren können“, weiß Funke aus vielen Gesprächen mit den Anwendern.

Netzwerk Konfigurationsmodel: Der Profinet-Controller wird um eine Network Management Engine erweitert.
Netzwerk Konfigurationsmodel: Der Profinet-Controller wird um eine Network Management Engine erweitert.Bild: Profibus & Profinet International (PI)

Welche Mechanismen werden benötigt?

PI hat sich frühzeitig Gedanken über Mechanismen gemacht, wie man beide Technologien, also Profinet und TSN, miteinander auf einfache Weise verbinden kann. Dabei gibt es auch schon erste Überlegungen, welche Auswirkungen dies für die zukünftige Netzwerkplanung haben könnte. Folgende Punkte spielten innerhalb der IEEE-/IEC-Standards eine wichtige Rolle und wurden daher bearbeitet:

  • Streams (802.1Q-2018) für robuste Routen durch das Netzwerk zwischen Controllern und Devices (von ‚Talker‘ zu ‚Listener‘). Diese Streams müssen in allen auf dem Weg liegenden Switches mit geschützten Ressourcen registriert werden. Ein Stream wird durch eine Multicast-Zieladresse und ein VLAN-Tag identifiziert.
  • Time Synchronisation (802.1AS-2018) vermisst das Netzwerk und synchronisiert die Uhren in den Geräten. Die erreichte Präzision liegt dabei, wie schon heute bei Profinet, bei 1µs. In den Geräten wird damit der Arbeitstakt und die Uhrzeit synchronisiert und für die Applikationen bereitgestellt.
  • Scheduled Traffic (802.1Q-2018), also die Kommunikation gemäß vorgegebenem Zeitplan und Zeitsynchronisation zwischen Controllern, Devices und Switches. Diese Funktion ist ähnlich wie bei IRT.
  • Frame Preemption (802.1Q-2018), Echtzeitanwendungen gehen vor TCP/IP-Anwendungen und unterbrechen diese gegebenenfalls. Dadurch entsteht kein Bandbreitenverlust. Diese Lösung ist nicht komplex, aber zugleich hochflexibel und robust.
  • Profinet V2.4 (61158-x-10), Profinet over TSN: Diese Spezifikation wurde bereits vor kurzem veröffentlicht und stellt den Startschuss für TSN basiertes Profinet dar.
  • TSN Industrial Automation Profile (TSN IA-Profil, IEC/IEEE60802). Dieses Profil wird benötigt, damit TSN auf breiter Basis für die industrielle Automation genutzt werden kann. Dieser Aspekt ist quasi der letzte offene Punkt, der innerhalb der IEEE und der IEC bearbeitet wird, um ein konvergentes TSN Netzwerk für die industrielle Automatisierung zu standardisieren. Es ist geplant, dass das Profil 2021/22 fertig ist.
Profinet-Architektur mit TSN
Profinet-Architektur mit TSNBild: Profibus & Profinet International (PI)

Planung von Netzwerken

Gleichzeitig wurden Überlegungen gestartet, wie die zukünftige Netzwerkplanung und -konfiguration aussehen könnte, vor allem damit diese viele Jahre Bestand hat. Über die Network Management Engine (NME) können Topologieerfassung, Pfadplanung und Netzwerkkonfiguration erledigt werden, wobei diese einfach dem Profinet-Controller hinzugefügt wird. Der Umgang mit den bekannten Engineering Tools ändert sich nicht, aber die Planung wird erheblich erleichtert. Denn heute ist die Netzwerkkonfiguration (also das Festlegen der Kommunikationspfade von der Steuerung zum Device) Teil des Engineerings. In Zukunft wird diese Aufgabe in die Firmware der Profinet-Geräte überführt und ist damit Teil der Runtime im Controller bzw. Device. Dazu muss man wissen, dass jedes Profinet-Gerät nicht nur Geräteparameter enthält, sondern auch Netzwerkparameter bereitstellen kann. Über die NME ist es möglich, dass Netzwerke während der Laufzeit umgeplant werden können. Dass dies funktioniert, wurde bereits auf der vergangenen Hannover-Messe gezeigt. Dabei wurde ein Feldgerät in der laufenden Anwendung entfernt und durch ein anderes ersetzt, auch die Rekonfiguration erfolgte während der Laufzeit. Damit hat der Mechanismus seinen Praxistest bestanden. Dies entlastet nicht nur den Anwender, es erhöht auch die Flexibilität. In Zukunft wird es in jeder TSN-Domäne eine ‚Network Management Engine NME‘ geben. Der Anwender muss zukünftig für die Konfigurationsberechnung nur noch einfache Regeln für das Netzwerk festlegen. Dazu gehören:

  • Auswahl eines Working Clock Masters (typischerweise PLC)
  • Datenrate (z.B. 100MBit/s oder 1GBit/s)
  • Domain-Name
  • Scheduling der Update-Zyklen

Einfache Ergänzung um TSN

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. Die Spezifikationsarbeiten sind, soweit die Standards das erlauben, abgeschlossen und liegen zum Download auf der PI-Webseite bereit. 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. Wichtig für die Zukunft ist die Netzwerkkonvergenz, damit beliebige Protokolle parallel laufen können. Erst nachdem die Arbeiten an der IEEE/IEC60802 abgeschlossen wurden, kann die TSN-Spezifikation finalisiert werden. Die Spezifikationen sind für die Hersteller von Basistechnologie für Hard- und Firmware notwendige Grundlagen. TSN als nativer Support in den Standardchips kann mit Profinet direkt genutzt werden. Die Hersteller eines Profinet-Feldgerätes bedienen sich dann einfach der entsprechenden Bausteine und Stacks oder fertiger Technologiemodule, müssen also – wie bisher – nicht die Details verstehen oder gar selbst implementieren. Damit können viele Gerätehersteller einfach ihr bestehendes Profinet-Portfolio um TSN ergänzen. Um die gewohnte Qualität und Interoperabilität von Profinet-Geräten auch mit TSN sicherzustellen, wird parallel zur Standardisierung auch an einer Testspezifikation innerhalb der PI gearbeitet. Das neue Testsystem wurde auf der vergangenen Hannovermesse vorgestellt. „Ebenso wichtig ist auch, dass eine Migration von heutigen Geräten möglich ist“, so Funke. Die Profinet Spezifikation 2.4 definiert für den Use Case Brownfield, wie ein Zusammenspiel aus heute verfügbaren und zukünftigen Geräten mit Profinet über TSN möglich sein wird. „Und für den Anwender ist erst einmal beruhigend, dass alles so bleibt, wie es ist“, so Funke abschließend. So bleibt die Anwenderschnittstelle unverändert, also etwa die Nutzung von IO-Daten, Diagnose und Parametrierung, da die neuen TSN-Mechanismen im Wesentlichen in den unterlagerten Kommunikationsschichten wirken. Obwohl die IEC/IEEE60802 noch nicht abgeschlossen ist, lässt sich bereits mit den von PI entwickelten Mechanismen arbeiten. Eine bewährte Vorgehensweise bei PI – so wird den Anwendern der Einstieg in die neue Technologie erleichtert und sie können sich frühzeitig mit der Materie auseinandersetzen.

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