Im Anwendungsbereich der industriellen Automatisierungstechnik bestehen hohe Anforderungen an die zuverlässige Übertragung von Daten in Echtzeit. Speziell im Bereich der Steuerung von Antriebssystemen für schnelle Bewegungen in Maschinen haben die Anforderungen hinsichtlich der Zyklus- und Latenzzeiten an die verwendeten Kommunikationssysteme stetig zugenommen. Gleichzeitig steigt die zu übertragende Datenmenge durch immer mehr Diagnose- und Wartungsdaten sowie Peripheriedaten. Dies  führte dazu, dass neben den klassischen Feldbussystemen Ethernet-basierte Feldbussysteme entwickelt wurden. Ethernet, schon viele Jahrzehnte im Einsatz als Netzwerktechnologie für IT- und Internetanwendungen, schien eine optimale Lösung für die Weiterentwicklung der Feldbusse zu sein, da es mit 100 Mbit/s deutlich schneller als die Feldbussysteme ist, deutlich mehr Bandbreite bereithält und durch seine Verbreitung eine bewährte Technologiebasis hat. Einziges Manko von Standard-Ethernet bislang: die fehlende Echtzeitfähigkeit.
Daher haben die hinter den Feldbussystemen stehenden Organisationen und Firmen eigene, teils sehr unterschiedliche Ansätze und Lösungen entwickelt, um Ethernet echtzeitfähig zu machen. Zudem wurde auf dieses Echtzeit-Ethernet die bewährten Konzepte der jeweiligen Feldbussysteme übertragen und erweitert. Die Folgen sind bekannt: Diverse Echtzeit-Ethernetstandards, die zwar auf der physikalischen Schicht (Layer 1) kompatibel sind, auf der Datenübertragungsschicht und darüber jedoch in der Regel sich vollständig inkompatibel zueinander verhalten.

TSN – der universelle Ethernet-Echtzeitstandard

Die einzelnen TSN-Standards und deren aktueller Status. Von zehn Spezifikationen sind gerade drei verabschiedet.

Die einzelnen TSN-Standards und deren aktueller Status. Von zehn Spezifikationen sind gerade drei verabschiedet. HMS

In der Fabrikautomation spielt nicht nur die Vernetzung der Komponenten innerhalb der Maschinen eine essentielle Rolle, sondern auch die Vernetzung zwischen Maschinen, Robotern und Fördertechnik in einer Produktionsanlage. Auch hierfür bietet sich Ethernet an, um eine größere Menge an Daten schnell zu transportieren, aber auch um eine einfache Anbindung der Produktionsanlage an die Unternehmens-IT zu ermöglichen. Allerdings erfordert auch die Vernetzung der Produktionsanlagen untereinander eine Echtzeitkommunikation, um Prozessschritte über einzelne Maschinen und Anlagenelemente hinweg zu synchronisieren.
Nicht nur aus der Automatisierungswelt kommt die Forderung nach einem einheitlichen Standard für Echtzeiteigenschaften für Ethernet, sondern auch aus Bereichen wie den Automobilherstellern (Ethernet im Fahrzeug), dem Finanzwesen (Echtzeitkommunikation für die Börse) oder aus der Multimediawelt (Verteilung von Audio und Video synchron über das Netzwerk). Aus diesem Grund hat die 802.1 Arbeitsgruppe der IEEE die „Time-Sensitive Networking Task Group“ gegründet, um eine Echtzeit Erweiterung für Ethernet nach 802.1 zu definieren.

TSN – ein Baukasten aus zehn Standards

Die Echtzeiterweiterung TSN darf man jedoch nicht als einen einzelnen Standard in Form einer Spezifikation verstehen, welche Ethernet echtzeitfähig macht. Vielmehr ist TSN ein Baukasten aus aktuell zehn Standards für einzelne Mechanismen und Funktionen.
Je nach Anwendungsbereich und dessen Anforderungen lässt sich daraus die für das Echtzeitverhalten geforderte Funktionalität zusammenstellen. Dies erproben derzeit verschiedene Firmengruppen im Rahmen ihrer Testbeds, beispielsweise das Industrial Internet Consortium (IIC) in seinem TSN Testbed oder das Testbed des Labs Network Industrie 4.0 e.V. (LNI 4.0), welches am Kompetenzzentrum Mittelstand 4.0 in Augsburg aufgebaut wird.
Derzeit sind erst drei – Frame Preemption, Enhancements for Scheduled Traffic sowie Path Control and Reservation – der zehn Standards verabschiedet. Die restlichen befinden sich noch in der Entwicklung beziehungsweise Standardisierung durch die IEEE.
Alle Mechanismen von TSN konzentrieren sich im Wesentlichen darauf, die Echtzeitfähigkeit in der Schicht 2 zu realisieren. Dies bedeutet: TSN für sich allein gesehen ist kein Ersatz für die heutigen Einsatzbereiche der Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme. Denn hierzu werden TSN wesentliche Eigenschaften fehlen:
– Applikationsschicht mit definierten Kommunikationsdiensten und zugehörenden Protokollen
– Dienste für Netzwerk-, Geräte- und Anwendungsmanagement
– Safety-Unterstützung
– Geräte- und Applikationsprofile
– Conformance Tests zur Sicherstellung der Inter­operabilität
Die Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme wurden dagegen speziell für den Einsatz in Steuerungsnetzwerken innerhalb von Maschinen konzipiert (OT-Bereich). Diese Systeme haben neben der Echtzeitfähigkeit die aufgeführten spezifischen Eigenschaften.
Hinzu kommt deren vorhandenes Ökosystem als ein wesentlicher Wert: Es existiert bei Herstellern und Anwendern ein breites Wissen über die Systeme. Viele Gerätehersteller, Technologieanbieter und Systemintegratoren unterstützen die Systeme mit entsprechenden Schnittstellen, Software- und Hardware-Tools für die Entwicklung von Geräten sowie für die Inbetriebnahme und Diagnose. Letztere sind mitunter die wichtigste Voraussetzung für die breite Akzeptanz eines Kommunikationssystems in der Automatisierungswelt.

Seite 2 geht der Frage nach, ob durch TSN etablierte Strukturen aufbrechen.

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