SPANNENDE ZEITEN

Im Hinblick auf Time-Sensitive Networking stehen uns im Wortsinn spannende Zeiten ins Haus. Insbesondere die Aktivitäten der Nutzerorganisationen machen dies deutlich. Neben der Entwicklung des TSN-Standards ist man bestrebt, auch Endgerätehersteller bei der Integration der Echtzeitfähigkeit zu unterstützen.

Wir sind an einem Punkt angekommen, an dem praktisch jede Industrial-Ethernet-Nutzerorganisation bestrebt ist, TSN-Funktionalität in ihre Technologie zu integrieren. Dies ist bemerkenswert, da hier vielerorts vor nicht allzu langer Zeit noch eine gewisse Skepsis gegenüber dem realen Nutzen der Echtzeitkommunikation vorherrschend war. Hinter vorgehaltener Hand wurde das Time-Sensitive Networking gar als ‚Strohfeuer‘ bezeichnet. Zurückzuführen war dies sicherlich auch auf die unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Branchen bezüglich der Echtzeitanforderungen ihrer Applikationen.

Dies hat sich inzwischen grundlegend verändert, da zusehends erkannt wird, in welchem Umfang der Nutzen des Time-Sensitive Networking über die Kommunikation in Echtzeit hinausgeht. Hier wäre in erster Linie die Konvergenz zwischen IT und OT zu nennen: Eine durchgehende Connectivity von der OT-Seite bis in die IT-Systeme, an die Edge oder in die Cloud bilden die Grundlage einer Vielzahl von Bestrebungen im Industrie-4.0-Kontext, denen sich heute und in Zukunft kein Automatisierungsanbieter, Robotikhersteller oder Systemintegrator mehr verschließen möchte.

Die klassische Automatisierungpyramide wandelt also zu Gunsten eines weit verzweigten Netzwerkes, in der die Trennung von Leit- und Feldebene aufgelöst wird. Gleichzeitig müssen in einem solchen konvergenten Netzwerk echtzeitkritische und unkritische Daten gleichermaßen übertragen werden, ohne dass diese sich gegenseitig negativ beeinflussen. TSN schafft hier die Grundlage, um diesen Anforderungen zu begegnen. Dies ist aber nur möglich, wenn alle Geräte innerhalb einer Netzwerk-Infrastruktur TSN-fähig sind. Es liegt also auch an den Herstellern, ihre Produkte für die TSN-Funktionalität vorzubereiten.

An dieser Stelle will die CC-Link Partnerorganisation CLPA mit einem neuen Whitepaper Gerätehersteller und Anwender unterstützen. Dieses soll als Leitfaden für die TSN-Produktentwicklung fungieren. Im folgenden präsentieren wir einige Auszüge, das komplette Whitepaper können Sie über den untenstehenden Link nach Anmeldung kostenfrei herunterladen.

Bastian Fitz

bfitz@tedo-verlag.de

Technologietrends und Industrie 4.0

Schlüsseltechnologien für Industrie 4.0 wie das Industrial Internet of Things (IIoT) ermöglichen Unternehmen, eine zunehmend digitalisierte, vernetzte und automatisierte Fertigungsumgebung zu schaffen. Mit Technologien, die Strategien zur digitalen Transformation unterstützen, lassen sich smarte, vernetzte Fabriken aufbauen. Die Fabrik von morgen sieht so aus, dass Maschinen, Produktionslinien, Anlagen und ganze Lieferketten miteinander kommunizieren. Hiermit werden Produktivität, Effizienz und Flexibilität gesteigert. Die Vorteile solcher Infrastrukturen sind erheblich. Eine Schlüsseltechnologie in diesem Zusammenhang ist Time-Sensitive Networking (TSN), das von der IEEE 802.1-Arbeitsgruppe eigens zu dem Zweck spezifiziert wurde, um das Standard-Ethernet zu erweitern und zukunftssichere Funktionen bereitzustellen.

TSN-Funktionalität

Die beiden wesentlichen Vorteile von TSN sind Determinismus und Konvergenz: Determinismus ist die Voraussetzung für die zeitkritische Kommunikation in der Fertigung und bedeutet vorausberechenbare Verarbeitung von Daten durch Minimierung von Latenz und Jitter. Dies wiederum unterstützt Echtzeitanwendungen und bildet die Grundlage für die Konvergenz. Konvergenz, die zweite Schlüsselfunktion von TSN, ermöglicht es Unternehmen, verschiedene Datenarten in einem einzigen Netzwerk zusammenzuführen, ohne Leistungseinbußen bei der Fertigungskommunikation. Dies ist essenziell für die Weitergabe von Informationen aus dem Betrieb und ermöglicht damit eine höhere Prozesstransparenz im gesamten Unternehmen. Erst hieraus lassen sich Erkenntnisse zur Optimierung von Produktionsanlagen und ganzer Unternehmen ableiten. Da es sich bei TSN um eine Erweiterung des Standard-Ethernet handelt, ist es mit bereits existierenden Netzwerktechnologien und -komponenten kompatibel. Es kann parallel zu vorhandenen Komponenten eingesetzt werden, was die Systeminvestitionen reduziert.

Marktchancen durch TSN

TSN gilt branchenübergreifend als Zukunftsstandard für das industrielle Ethernet und die industrielle Kommunikation. Folglich wachsen sowohl das Interesse an dieser Technologie als auch ihre Verbreitung. Automatisierungskomponentenhersteller können sich dieses neue Marktsegment schnell erschließen, indem sie ihre vorhandenen Produktportfolios mit der TSN-Kompatibilität erweitern. Damit Anbieter diese Chance nutzen können, werden im folgenden die Technologie hinter TSN, der Entwicklungs-Workflow und die zur Entwicklung kompatibler Automatisierungsprodukte verfügbaren Methoden erklärt.

Überblick über die TSN-Technologie

Die TSN-Technologie wird durch IEEE 802.1-Normen definiert, wobei für die industrielle Kommunikation vor allem IEEE 802.1AS und IEEE 802.1Qbv wichtig sind, denn hierauf beruhen Determinismus und Konvergenz. IEEE 802.1AS umfasst Mechanismen, um alle Komponenten innerhalb eines Netzwerks mit hoher Genauigkeit zu synchronisieren und so eine präzise Begrenzung von Latenz und Jitter bei Übertragungen im gesamten Netzwerk zu ermöglichen. Dies wiederum ist die Voraussetzung für berechenbares Verhalten und somit die Grundlage für Determinismus. Unter Verwendung der netzwerkweiten Systemzeit nach IEEE 802.1AS organisiert IEEE 802.1Qbv die Datenübertragungen zeitlich anhand ihrer jeweiligen Priorität und ermöglicht so die deterministische Konvergenz verschiedener Arten von Daten. Hierzu richten die durch IEEE 802.1Qbv definierten Time-Aware Shapers (TAS) die Netzwerk-Switche für Taktzeiten im Echtzeitdatenverkehr ein. Die von den TAS generierten, regelmäßig wiederkehrenden Zeitfenster, die ein Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) nachbilden, ermöglichen es, verschiedene Arten von Daten im selben Netzwerk zu handhaben und zeitkritischen Daten dabei Vorrang einzuräumen. Da die Zeitparameter der TAS von vollsynchronisierten Netzgeräten gemeinsam genutzt werden, „wissen“ diese, wann zeitkritische Daten gesendet und empfangen werden. Weil die Sende- und Empfangszeiten zeitkritischer Daten somit im Voraus festgelegt sind, kann TSN eine deterministische Kommunikation für harte Echtzeit-Applikationen gewährleisten. Die durch TSN erreichbare Netzwerkkonvergenz ermöglicht außerdem die Aufhebung der Grenzen zwischen Operational Technology (OT) und Informationstechnik (IT).

Entwickeln für TSN: Workflow

Dass sich Komponentenhersteller, die TSN-fähige Produkte anbieten können, einen Wettbewerbsvorteil verschaffen, liegt auf der Hand. Um jedoch erfolgreich Komponenten zu entwickeln, die dem Endanwender einen echten Mehrwert bieten, müssen zunächst die Funktion, die Leistung und die Art des Produktes festgelegt werden. Es gilt genau zu definieren, was das Produkt können soll. Hiervon hängt der zu entwickelnde Netzwerkteilnehmertyp ab, beispielsweise Master oder Remote Client. Anschließend gilt es, die am besten geeignete Entwicklungsmethode für die zu produzierende TSN-Komponente auszuwählen. Relevant hierfür sind die zuvor ermittelten Leistungsanforderungen und auch jeweils die Eignung existierender Entwicklungsmethoden. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wo die Produktentwicklung stattfinden soll: inhouse oder mit externen Ressourcen? Oder ist es besser, die Aufgabe komplett einem spezialisierten Systemhaus zu übertragen? Wenn die TSN-Komponente fertig entwickelt ist, muss sie noch zertifiziert werden, um nachzuweisen, dass sie die technischen Anforderungen uneingeschränkt erfüllt. Hierfür empfiehlt sich die unabhängige Zertifizierung durch eine kompetente Prüfstelle, denn diese bietet den Endkunden zusätzliche Sicherheit im Hinblick auf die Kommunikationsleistung.

Entwickeln für TSN: Methoden

Am Anfang steht die Entscheidung über die Funktionalität, das heißt welche Aufgabe das Endprodukt innerhalb eines Netzwerkes erfüllen soll. Im Kontext dieses Beitrages bedeutet dies Master, Remote Client oder Local Client. Des Weiteren müssen Komponentenhersteller entscheiden, ob sie Komponenten für Motion- Control- oder Safety-Applikationen entwickeln möchten. Motion Control verlangt für gewöhnlich vollständige TSN-Unterstützung im Hinblick auf die Synchronisation von Achsen. Dies ermöglicht eine Synchronisierungsgenauigkeit im Mikrosekundenbereich, wie sie bei anspruchsvollen Applikationen wie etwa einer Druckmaschine erforderlich ist. Safety-Komponenten sind ein weiteres wichtiges Marktsegment, das TSN-Netzwerke abdecken können. Wenn feststeht, welche Art von Netzwerkteilnehmer entwickelt werden soll, geht es darum, ob ein vorhandenes Produkt mit TSN-Funktionen ausgestattet wird oder ob eine Komponente von Grund auf neu zu entwickeln ist. Für ein neues Produkt muss unter Berücksichtigung der Marktanforderungen ein Pflichtenheft erstellt werden. Hierin wird festgehalten, welche Anforderungen die neuen TSN-kompatiblen Komponenten erfüllen sollen, welche Funktionen und Optionen sie bieten sollen und welche Investitionen hierfür getätigt werden müssen. Die Weiterentwicklung bereits vorhandener Produkte kann eventuell die Time-to-Market und die erforderlichen Investitionen reduzieren. Allerdings verlangt sie unter Umständen Kompromisse, die das Potenzial von TSN nicht voll ausschöpfen. Um mehr Flexibilität bei der Entwicklung zu gewinnen, lohnt sich eine genauere Betrachtung des notwendigen Performance-Niveaus. So lässt sich das richtige Gleichgewicht von Produktleistung, Entwicklungsinvestition und Markteinführungszeit ermitteln. Eine Möglichkeit besteht darin, mit einem generell softwarebasierten Ansatz zu arbeiten, der ein schnelles Upgrade vorhandener Komponenten ermöglicht. Am oberen Ende des Spektrums steht der generell hardwarebasierte Ansatz, der zwar zusätzlichen Entwicklungsaufwand bedeutet, aber ohne Performance-Kompromisse auskommt, wie sie bei der Softwareentwicklung zum Teil in Kauf genommen werden. Und nicht zuletzt sind die Bandbreite und die Wärmeableitung wichtige Aspekte bei der Festlegung der Kommunikationsgeschwindigkeit. Obgleich sich für die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) aus Performance-Gründen die GBit-Bandbreite anbietet, dürfen auch thermische Aspekte nicht außer Acht gelassen werden, die bei kleineren Komponenten oder solchen mit erweiterten Schutzklassen relevant sein können. Wenn all diese Entscheidungen getroffen sind, kommt es auf den Zugang zu einer geeigneten Entwicklungsmethode an, egal ob software- oder hardwarebasiert. In diesem Zusammenhang ist die Auswahl einer Netzwerktechnologie, die ein umfassendes offenes Entwicklungsökosystem bietet, von entscheidender Bedeutung (vgl. Tabelle 1).

Softwarelösungen

Ein Software-Protokoll-Stack oder „Stack“ ist eine Auswahl von unabhängigen Softwaremodulen, die gemeinsam die Ausführung einer Applikation unterstützen. Er kann im Hinblick auf die konkreten Anforderungen eines Produktes konfiguriert werden. Im Falle von TSN muss er die IEEE 802.1-Normen unterstützen. Softwarelösungen sind in der Regel insofern „genügsam“, als dass sie auf kostengünstigen CPU-Plattformen laufen. Dabei handelt es sich vielfach um Mikroprozessoren oder Mikrocontroller. TSN-Stacks sind meist Bestandteil eines Software Development Kits (SDK). Softwaremethoden stellen vermutlich die schnellste Möglichkeit dar, um vorhandene Produkte mit TSN-Funktionen auszustatten, weil sie beim Komponentenhersteller den internen Zeit- und Kostenaufwand für die Entwicklung reduzieren. Sie bieten sich daher als vielseitige Lösung für Unternehmen an, denen es um die schnelle Einführung von TSN geht.

Hardwarelösungen

Um das Potenzial von TSN in vollem Umfang auszuschöpfen, lohnt es sich, über eine hardwarebasierte Lösung nachzudenken. Diese Strategie mag höhere Investitionen und eine längere Entwicklungszeit erfordern, doch verspricht sie ein besonders wettbewerbsfähiges Produkt und eine längere Nutzungsdauer. Komponentenhersteller können die richtige Plattform für ihre Bedürfnisse aus verschiedenen Lösungen auswählen. Zu diesen gehören anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application-Specific Integrated Circuits, ASICs), Embedded-Module-Lösungen und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Entwicklern stehen auch TSN-kompatible PC-Karten zur Verfügung, um in Industrial-Ethernet-Netzwerken die Kernfunktionalität auf Industrie-/Standard-PCs und ähnlichen Geräten zu implementieren.

Die Bedeutung von Konformitätsprüfungen

Um die Funktionalität von TSN-fähigen Komponenten zu validieren, müssen die Entwickler gründliche Konformitätstests durchführen. Hierdurch wird bestätigt, dass das Produkt alle Anforderungen eines bestimmten Netzwerkstandards erfüllt und korrekt implementiert ist. Konformitäts- und Interoperabilitätstests können vom Komponentenhersteller selbst und/oder durch unabhängige Organisationen durchgeführt werden. Da Endanwender in der Regel eine unabhängige Zertifizierung bevorzugen, dient die Prüfung im eigenen Hause normalerweise nur zur Bestätigung, dass ein Produkt für die externe Prüfung bereit ist. Diese externe Prüfung gewährleistet eine neutrale und unvoreingenommene Bewertung durch eine unabhängige Stelle. Nicht zuletzt kann sich der Komponentenhersteller bei externer Konformitätsprüfung auf seine eigentliche Entwicklungsarbeit konzentrieren, während die Produktprüfung spezialisierten Prüfingenieuren überlassen wird.

Industrial-Ethernet-Protokolle, die TSN unterstützen

Um schnell TSN-fähige Produkte für Applikationen der industriellen Automatisierung anbieten zu können und sich diesen Markt zu erschließen, gilt es bewährte Netzwerktechnologien zu nutzen, z.B. CC-Link IE TSN. Hierbei handelt es sich um das erste offene Industrial-Ethernet-Netzwerk, das TSN-Funktionen, wie sie in den Normen IEEE802.1 AS und Qbv definiert sind, mit der Gbit-Bandbreite kombiniert. Produktentwickler, die sich für diese Lösung entscheiden, profitieren von einem umfassenden Entwicklungsökosystem für die Erstellung von Master-Komponenten, Local und Remote Clients. Darüber hinaus unterstützt die CLPA Anbieter, indem sie die Konformität ihrer Produkte prüft und die vollständige Kompatibilität mit den CC-Link IE TSN-Spezifikationen sicherstellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Produkt anschließend in den Online-Katalog der CLPA aufgenommen werden kann und damit für Kunden in aller Welt sichtbar sein wird. Gemeinsame Verkaufsförderungsmaßnahmen mit der CLPA sind ebenfalls möglich.

Schlussfolgerungen

TSN ist eine Schlüsseltechnologie für die digitale Transformation der Fertigung und bietet vier wesentliche Vorteile für Endanwender und Automatisierer:

• Einfachere Netzwerk-/Maschinenarchitekturen
• Größere Prozesstransparenz und besseres Management
• Höhere Produktivität
• Bessere Integration von OT- und IT-Systemen

Für eine zukunftssichere industrielle Kommunikation und das nächste Performance-Level müssen Automatisierungsanbieter jetzt aktiv werden und TSN-kompatible Produkte entwickeln oder vorhandene Komponenten mit TSN-Funktionen aufrüsten. Auf diese Weise unterstützen sie ihre Kunden beim Aufbau der Fabriken der Zukunft und verbessern gleichzeitig die eigene Wettbewerbsfähigkeit in diesem schnell wachsenden Markt.

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Kontaktdaten der CLPA

EMBEDDED-PRODUKTE UNTERSTÜTZEN CC-LINK IE TSN

Embedded-Komponenten für Echtzeit-Hochleistungs-Applikationen in der industriellen Automatisierung mit CC-Link IE TSN sind jetzt vom CLPA-Partner NXP Semiconductors vorgestellt worden. Diese Komponenten gehören mit zu den Ersten, die TSN unterstützen. Sie bieten Funktionen der nächsten Generation und Merkmale für hochentwickelte Connected-Industries-Anwendungen.

Die neuen Produkte des Halbleiteranbieters NXP sind der LS1028A-Prozessor für industrielle Anwendungen und der i.MX RT1170-Crossover-Mikrocontroller (MCU). TSN-Funktionen und ARM Cortex-Cores ermöglichen eine vollständig integrierte und skalierbare Echtzeit-Lösung für Automatisierungsapplikationen.

So kombinieren diese Komponenten Leistungsfähigkeit und Genauigkeit mit ihren 64Bit-Prozessoren und 12ns-Interrupts, sowie Unterstützung von Display-Controllern, Gbit-Ethernet und einer sicheren Architektur. Dies bietet eine hervorragende Grundlage für die Implementierung von CC-Link IE TSN.

NXP arbeitete mit einem anderen CLPA-Partner, Port Industrial Automation, zusammen, um vollständige Kommunikations-Stacks für CC-Link IE TSN Master- und Remote-Station zu entwickeln. Durch die Kombination dieser Geräte mit der Konnektivität von CC-Link IE TSN bilden sie eine solide Grundlage für Anbieter, die TSN-Produkte anbieten möchten, die die Schaffung konvergenter Netzwerke unterstützen, in denen der Verkehr der Informationstechnologie (IT) und der Operational Technology (OT) eine einzige Netzwerkarchitektur nutzen kann. Daher sind diese Komponenten dazu geeignet, um als Kern fortschrittlicher Industrie-4.0-Anwendungen zu fungieren, die datengesteuerte, intelligente Abläufe im gesamten Unternehmen ermöglichen und die Produktivität und Flexibilität optimieren.

Produkte und Lösungen überzeugen die Partner

Jeff Steinheider, Director Global Industrial Applications Processor Product Marketing bei NXP, bemerkt: „TSN ist der Layer-2-Standard für Industrie 4.0 und NXP liefert einen wichtigen Beitrag zum kompletten Entwicklungsökosystem für das CC-Link IE TSN Protokoll zum Betrieb auf offenen TSN-Netzwerken. Mit der Bereitstellung des kompletten Kommunikations-Stack für das Gbit-Ethernet unterstützen der LS1028A von NXP für High-End-Steuerungen und der i.MX RT1170 für industrielle Endpunkte eine der vollständigsten Lösungen auf dem Markt.“

Masaki Kawazoe, Global Director der CLPA, fügt hinzu: „Mit ihren Datenverarbeitungssystemen und Switchen bietet NXP globale Lösungen zur Unterstützung der Umstellung auf TSN zur Erfüllung der Industrie 4.0-Anforderungen für Applikationen, Kommunikation und Sicherheit. Ich freue mich, dass NXP eines der ersten Unternehmen ist, die ICs zur Unterstützung von TSN anbieten. Damit wird die Entwicklung eines Geräts möglich, das mehrere Varianten von Industrial Ethernet-Protokollen über TSN mit derselben Hardware unterstützt. Ich bin zuversichtlich, dass dies die Entwicklung von mit CC-Link IE TSN kompatiblen Anwendungen weiter beschleunigen wird und zu einer verstärkten Einführung von IIoT-Anwendungen in Smart Factories führen wird.“

Dietmar R. Franke, CEO von Port, erklärt: „Die von NXP für die Echtzeitkommunikation über TSN angebotenen Lösungen liefern eine ausgezeichnete Grundlage für TSN-basierte Kommunikation. Port bietet ein vollständiges Industrial Communication Framework (ICF) für die Integration von CC-Link IE TSN auf den i.MXRT1170- und LS1028A-Plattformen von NXP. Das ICF umfasst einen CC-Link IE TSN Master-Station-Stack, einen Remote-Station-Stack und das ICC-Tool (Industrial Communication Creator) zur Konfiguration des Remote-Stack.“

John Browett, General Manager der CLPA Europe, kommt zu folgendem Schluss: „Seit der Einführung von CC-Link IE TSN Ende 2018 arbeitet die CLPA mit führenden Anbietern zusammen, um ein branchenübliches Entwicklungsökosystem für das Design kompatibler Produkte anzubieten. Wir freuen uns, Ihnen mittteilen zu dürfen, dass NXP und Port jetzt dieser Gemeinschaft beigetreten sind, um das Spektrum an Optionen für die Produktentwicklung noch breiter zu gestalten.“

WETTBEWERBSFÄHIG IN DER FERTIGUNG DURCH TSN

Zukunftssichere Connected Industries sind auf reaktionsschnelle, automatisierte Abläufe angewiesen. Moderne Industrienetzwerke mit Time-Sensitive Networking (TSN) sind der Schlüssel für diese innovativen Systeme. Nur hiermit können Unternehmen von einer schnellen und zuverlässigen Kommunikation für Industrie-4.0-Applikationen profitieren.

Die Connected Industries der Zukunft sind hochproduktiv, flexibel und reaktionsschnell, weil sie anhand von Daten einzigartige Echtzeit-Einblicke in das Geschehen in der Fertigung bieten. Die Vorteile von TSN gehen in diese Richtung und erleichtern Unternehmen die Implementierung von automatisierten Abläufen. Das herausragende Merkmal dieser Technologie ist ihre Fähigkeit, das herkömmliche industrielle Ethernet in ein Echtzeit-Kommunikationssystem mit extrem geringem Jitter und geringster Latenz zu verwandeln.

Determinismus ist noch nicht alles

TSN macht das industrielle Ethernet inhärent deterministisch und legt den Grundstein für konvergente Netzwerke. Diese Technologien werden durch die IEEE-802.1-Spezifikationen definiert, die eine gemeinsame, einheitliche Lösung schaffen. Somit können Anwender von äußerst zuverlässigen und reaktionsschnellen Netzwerken profitieren, deren Beschaffenheit die Interkonnektivität unterstützt – unabhängig von herstellerspezifischen Lösungen. Hiermit werden Offenheit und Interoperabilität zwischen Automatisierungskomponenten und -systemen geschaffen, was den Aufbau von gut vernetzten Anlagen und Unternehmen vereinfacht. Darüber hinaus kann TSN verschiedene Teile eines Unternehmens, wie OT und IT zusammenführen. Die Technologie ist ursprünglich für die Übertragung von Audio- und Video-Streams in kommerziellen Anwendungen entwickelt worden. Erst später kam man auf die Idee, dass diese Lösung auch in industriellen Automatisierungssystemen eingesetzt werden kann. Folglich werden TSN-Applikationen in dem einen Sektor von den TSN-Entwicklungen in einem anderen beeinflusst.

Die Akzeptanz von TSN ist keine Frage

Bei der flächendeckenden Einführung von IE-Lösungen sind die Unternehmen bereit, jetzt aktiv zu werden. Die Entwicklung von TSN-basierten Lösungen befindet sich derzeit in einer ausgeprägten Wachstumsphase. Feldbusse und konventionelles Ethernet sind seit vielen Jahren Standard. Durch die TSN-Innovation, eröffnen sich den Ingenieuren neue Möglichkeiten und sie entwickeln neue Produkte mit richtungsweisenden Fähigkeiten. Es macht Spaß zu sehen, wie engagiert und motiviert diese Teams sind.

Proaktiv bei der Entwicklung von TSN-Lösungen

Eine wichtige Voraussetzung für das Vorantreiben der TSN-Revolution ist die Zusammenarbeit zwischen den Automatisierungsanbietern. Da es bei TSN im Wesentlichen um Interoperabilität geht, müssen die Spezialisten bereit sein, bei der Entwicklung geeigneter Systeme und Migrationslösungen eng zusammenzuarbeiten. Vor diesem Hintergrund sind vorhandene Netzwerke wichtiger Akteure in der Automatisierungsbranche, wie die CLPA, auf dem richtigen Weg und haben bereits einen Wettbewerbsvorteil. Mitglied der CLPA zu sein, hat sich schon immer gelohnt. Wir können uns nicht nur auf eine Gemeinschaft von führenden Automatisierungsexperten verlassen, sondern werden durch die Verwendung der CC-Link IE TSN-Spezifikationen auch zu den ersten gehören, die TSN-kompatible Geräte entwickeln können. CC-Link IE TSN ist die erste Netzwerktechnologie, die basierend auf den innovativen TSN-Standards auf den Markt gebracht wurde. Indem wir die frühesten Lösungen mit TSN anbieten, können wir unsere Position und Bekanntheit in der Automatisierungsbranche stärken, insbesondere in Asien, wo die Technologien der CLPA Industriestandard sind. Das erste Produkt von HMS ist der Anybus CompactCom für CC-Link IE TSN, mit dem Gerätehersteller die Technologie implementieren können.

TSN: EINE ENTWICKLUNG FÜR DIE VERBESSERUNG DES ETHERNET

Mit innovativen, überaus nutzbringenden Funktionen bereitet TSN das industrielle Ethernet auf die Anforderungen der industriellen Kommunikation von morgen vor. Die Unternehmen wissen um das Potenzial und sind aktiv, um die TSN-fähigen Connected Industries der Zukunft Gestalt annehmen zu lassen.

Ein ganz wesentliches Merkmal von TSN ist – neben den offensichtlichen Vorteilen – die Kontinuität in Bezug auf die vorhandene Netzwerktechnologie. In der Tat eröffnet TSN ganz neue Möglichkeiten, allerdings durch die Weiterentwicklung des konventionellen Ethernet, ohne den Status quo grundlegend zu verändern. Die Unternehmen können daher nahtlos auf TSN-kompatible Industrial-Ethernet-Systeme umstellen. TSN ist nicht nur mit vorherigen Ethernet-Standards kompatibel, sondern kann auch mit zusätzlichen Lösungen kombiniert werden, die für herkömmliches industrielles Ethernet bereits verfügbar sind. An erster Stelle steht hier die Gbit-Bandbreite, die zur Unterstützung der immer höheren Datendurchsätze entscheidend ist. Nur so können zahlreiche Netzwerkgeräte und Automatisierungskomponenten über die konvergente Architektur miteinander verbunden werden. Weitere Vorteile der Kombination von TSN und Gbit-Ethernet sind kürzere Taktzeiten, höhere Präzision von Regelkreisen sowie die Fähigkeit zur Übertragung verschiedener Datenarten gleichzeitig im Netzwerk, einschließlich Videodaten von z.B. der Prozessüberwachung.

Die Endanwender sind bereit für TSN

Nicht nur für Maschinenbauer sind die zahlreichen Vorteile von TSN nicht zu übersehen, sondern auch für die Endanwender. Besonders attraktiv ist die Standardisierung und Vereinfachung von Protokollen, die die einheitliche Vernetzung aller Unternehmensbereiche ermöglicht. Voraussetzung für die erfolgreiche Implementierung von TSN ist eine Netzwerktechnologie, die auch die höheren Protokollebenen im OSI-Referenzmodell abdeckt und somit TSN-Applikationen unterstützt. Ein Beispiel hierfür ist das offene Industrial Ethernet CC-Link IE TSN. Darüber hinaus bedarf es geeigneter Hardware, die mit dieser Layer-2-Technologie arbeiten kann, wie die Large-Scale-Integration (LSI) R-IN32M4-CL3 von Renesas, die CC-Link IE TSN unterstützt. Der Support auf Treiberebene ist ebenfalls wichtig, da TSN-kompatible Echtzeitsysteme ein enges Zusammenspiel von Low-Level-Treibersoftware und Hardware erfordern. Um hierfür führende Lösungen zu entwickeln, müssen Automatisierungsanbieter zusammenarbeiten und Komponenten mit TSN-Funktionen liefern, die die Erwartungen und Bedürfnisse ihrer Kunden erfüllen. In diesem Zusammenhang ist die Mitgliedschaft in einem Partnernetzwerk wie der CLPA von großem Nutzen. Sie bietet ein Forum, in dem Lösungsanbieter zusammenkommen, um die Entwicklung und Konsolidierung essenzieller Automatisierungsprodukte voranzutreiben.

Ein Blick in die Zukunft der industriellen Kommunikation

Mehrere wichtige Meilensteine für den breiten Einsatz von TSN sind mittlerweile erreicht. Vor allem sind die IEEE 802.1-Standards, die diese Technologie definieren, nun vollständig und abrufbar. Außerdem sind die ersten Netzwerklösungen auf dem Markt: CC-Link IE TSN ist das erste offene Ethernet, das die Gbit-Bandbreite mit TSN-Funktionen kombiniert. Und nicht zuletzt gibt es bereits erste Prototypen und fertige Produkte, das heißt Automatisierungskomponenten, die sofort eingesetzt werden können. Weitere Testbeds sind ebenfalls in Arbeit bzw. demnächst geplant. Diese Umgebungen unterstützen den Reifeprozess der Technologie und ihre großflächige Implementierung. Die Branche arbeitet an der Fertigstellung von IEEE-Profilen, insbesondere für die industrielle Automatisierung sowie die Entwicklung neuer Applikationen für einen breiteren Einsatz jenseits der Industrie. Zur Unterstützung der weltweiten Verbreitung von TSN wird es bald unerlässlich sein, einheitliche Konformitätstests einzuführen. Nur so kann sichergestellt werden, dass verschiedene Lösungen miteinander kompatibel sind und das Potenzial von TSN voll ausgeschöpft werden kann. Offene Technologien wie CC-Link IE TSN sind in dieser Hinsicht klar im Vorteil. Der Übergang zu TSN ist besonders interessant und spannend, weil es sich hierbei um eine natürliche Evolution des herkömmlichen Ethernet handelt. Letztlich werden wir von mehr und mehr Komponenten profitieren, die neue Funktionen und höhere Leistung erschließen und gleichzeitig vorhandene, noch gut funktionierende Systeme weiternutzen können.

PARTNERSCHAFT ERMÖGLICHT MITENTWICKLUNG VON TSN

Die CC-Link Partner Association (CLPA) hat den Beitritt der Intel Corporation als jüngstes Mitglied bekanntgegeben. Diese strategische Partnerschaft dient der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Förderung von TSN-Lösungen für die Automatisierungsbranche.

Die im Jahr 2000 gegründete CLPA bildet ein Netzwerk von Automatisierungsanbietern, Systemintegratoren und Endanwendern, die gemeinsam Unternehmen beim Aufbau modernster industrieller Kommunikationsnetze für die Fertigung der Zukunft unterstützen. Die neueste Technologie der CLPA für Industrie 4.0 ist CC-Link IE TSN: das erste offene Ethernet, das die Gbit-Bandbreite mit TSN-Funktionen kombiniert.

Als Mitglied der CLPA wird Intel mit weiteren CLPA-Mitgliedern zusammenarbeiten, um zukünftig CC-Link IE TSN-zertifizierte Komponenten anzubieten, die die TSN-Standardtechnologie unterstützen. Dazu gehören beispielsweise die weit verbreiteten Intel Ethernet-Controller I210 und I225, Intel Atom x6427FE, Intel Core i7-1185GRE-Prozessoren sowie das Intel Cyclone V System-on-a-Chip (SoC) Field-programmable Gate Array (FPGA).

Im Zuge dieser Strategie bietet der Halbleiterhersteller Edge Controls für Industrial-Applikationen an. Hierbei handelt es sich um eine Plattform, mit der Unternehmen verschiedene Software-Elemente konfigurieren und verwalten können, die für Intels Ethernet-Plattform mit TSN-Funktionen optimiert sind. Auf diese Weise lassen sich Industrie-4.0-Use-Cases einfach realisieren. Als CLPA-Mitglied wird Intel im CPLA-Ökosystem arbeiten, um in Zukunft das eigene Framework zur Unterstützung von CC-Link IE TSN-Funktionen zu erweitern und letztendlich die IT/OT-Edge-Workloads zu konsolidieren.

Intel verfolgt mit dem Beitritt zur CLPA die Mitarbeit an der Entwicklung des IEC/IEEE60802 TSN-Profils für die Industrieautomatisierung als weiteres Ziel. Dieses Profil wird künftig die TSN-Technologie und deren Implementierung in industriellen Umgebungen festlegen und ist sehr bedeutend für die Identifizierung von zukunftsweisenden TSN-Use-Cases, die konvergierte Daten der Informationstechnik (IT) und der Operational Technology (OT) effizient nutzen können.

Hierzu Thomas H. Calvert, Intel IoT Edge Capability Ecosystem Manager: „Die Anbieter hinter den führenden Protokollen der industriellen Automatisierung, darunter CC-Link IE TSN von der CLPA, unterstützen die Entwicklung des IEC/IEEE60802 TSN-Profils für die Industrieautomatisierung. Es geht dabei um die Entwicklung eines ganzheitlichen, standardisierten und konvergenten Konzepts für deterministische Netzwerke. Intel freut sich auf die Zusammenarbeit mit der CLPA an der Erreichung dieses Ziels.“

„Außerdem ist CC-Link IE TSN eine unverzichtbare Industrial-Ethernet-Lösung auf dem Markt“, fährt Calvert fort. „Intel als maßgeblicher Befürworter von offenen Standards und Industrie 4.0 hält es für wichtig, diese Technologie zu unterstützen und zur Entwicklung kompatibler Automatisierungskomponenten beizutragen. Wir freuen uns sehr, jetzt Mitglied der CLPA zu sein und zur weiteren Verbreitung von CC-Link IE TSN beitragen zu können.“

Mariana Alvarado, Marketing Specialist bei der CLPA, ergänzte: „Wir sind überaus erfreut, Intel in unserem Kreis branchenführender Technologiespezialisten begrüßen zu dürfen. Gemeinsam werden wir eine TSN-Lösung entwickeln, die die industrielle Automatisierung einen großen Schritt voranbringen wird, indem sie innovative digitale Fertigungsstrategien unterstützt. Wir freuen uns darauf, Konformitätsprüfungen für Intel-basierte TSN-Produkte anzubieten. Hierdurch profitieren unsere Partner von einem stetig wachsenden Portfolio an kompatiblen Lösungen zur digitalen Transformation ihrer Unternehmen.“

AN TSN FÜHRT IN DER INDUSTRIE KEIN WEG VORBEI

TSN gilt als zukunftsweisend für das industrielle Ethernet. Es bildet die Grundlage für automatisierte, vernetzte und smarte Fabriken. Diese Technologie ist mehr als eine einfache Lösung auf der Produktebene, denn sie unterstützt systematisch Determinismus, Konvergenz und Prozesstransparenz von industriellen Netzwerken.

Die Vision vom Datenaustausch der Zukunft gemäß Industrie 4.0 unterscheidet sich deutlich vom Zustand der heutigen industriellen Kommunikation. Zu oft sind die Maschinen noch in ‚Automatisierungsinseln‘ isoliert. Deshalb müssen wir derzeit auf mehrere und oft semi-proprietäre Standards zurückgreifen, wenn Daten zwischen den verschiedenen Schichten der Automatisierungspyramide ausgetauscht werden sollen. Obendrein kann ein Protokoll selten mit einem anderen kommunizieren, was den Austausch wichtiger Informationen im Unternehmen verhindert. Hinzu kommt, dass mit wachsender Anzahl von Maschinen und Systemen die Netzwerke irgendwann zu komplex werden, um Änderungen noch integrieren zu können.

Vorbereitung auf Netzwerktechnologie der Zukunft

Einer der Gründe, warum die Systeme zumindest in Teilen isoliert bleiben, ist die Vermeidung von gegenseitigen Beeinträchtigungen. Unternehmen, die diese Problematik angehen und ihre Netzwerke erweitern wollen, benötigen eine ausreichende Bandbreite, damit zeitkritischer Datenverkehr wie z.B. von Steuerungen immer deterministisch übertragen werden kann. Auf diese Weise können mehr Applikationen unterstützt und integriert werden und die Unternehmen profitieren von den Vorteilen, die konvergente Netzwerke bieten. Der nächste Schritt ist die Einführung der TSN-Technologie, deren Bedeutung enorm zugenommen hat. Vor allem der asiatische Markt entwickelt sich rasant, führt die TSN Technologie ein und entwickelt innovative, praxistaugliche Applikationen und Use Cases. Aber auch auf Vorsicht bedachte Unternehmen, die derzeit noch mit Investitionen für TSN zögern, erkennen die Bedeutung dieses Lösungskonzeptes für eine zukunftssichere Industrieautomatisierung an.

Erfolgsfaktoren bei der TSN-Implementierung

Die Einführung dieser Technologie findet ganzheitlich statt und nicht auf der Ebene einzelner Produkte. Daher müssen zwei Hauptvoraussetzungen erfüllt sein. Erstens ist die starke Unterstützung durch eine Industrial-Ethernet-Organisation wie die CLPA erforderlich, die geeignete TSN-kompatible Netzwerktechnologien bereitstellt. Zweitens ist es wichtig, dass eine große Produktpalette für diese Technologie verfügbar ist. CC-Link IE TSN erfüllt beide Anforderungen. Ein weiterer wichtiger Aspekt für die erfolgreiche Einführung von TSN ist die Erreichung von Interoperabilität. Auch dies ist unabdingbar im Hinblick auf die künftigen Anforderungen von smarten Fabriken. Vor diesem Hintergrund beteiligt sich Moxa aktiv an einer Reihe von Aktivitäten. „Neben der Einführung von CC-Link IE TSN-kompatiblen Produkten beteiligen wir uns an TSN-Testbeds und diskutieren mit anderen führenden Automatisierungsanbietern, wie wir unsere Lösungen so gestalten können, dass sie unsere Kunden optimal unterstützen. Der Schlüssel zum Erfolg ist die Kooperation. Indem wir als Team zusammenarbeiten, können Automatisierer, Maschinenbauer und Anwender dazu beitragen, TSN so zu gestalten, dass es die gewünschten Anforderungen erfüllt. Aus diesem Grund sind Partnerschaften mit führenden Organisationen wie der CLPA von großem Nutzen, denn sie bieten ein einzigartiges Forum, in dem sich Unternehmen auf dem Weg in die Zukunft der industriellen Automatisierung orientieren können.

Die Zukunft hat bereits begonnen

Es gibt immer mehr praktische Anwendungen für TSN, und ich erwarte größere Implementierungen dieser Technologie im nächsten Jahr. Aber auch Massenanwendungen von TSN in ganzen Fabriken werden wir in naher Zukunft sehen. Eine proaktive Herangehensweise ist am effizientesten, weil sie eine stufenweise Umsetzung ermöglicht. Ich gehe davon aus, dass TSN letztlich Industriestandard werden wird. Mit zunehmender Akzeptanz werden sich weitere Einsatzmöglichkeiten ergeben, sodass TSN ein elementarer Bestandteil industrieller Abläufe wird.