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Mit einbaufertigen Kommunikationsmodulen lässt sich TSN in Automatisierungsgeräten einfach nachrüsten. (Bild: HMS)

Auf die Scnelle

Das Wesentliche in 20 Sek.

  • An TSN geht kein Weg vorbei
  • Noch fehlt es TSN an Anwendungsprofilen
    Standardisierung noch nicht abgeschlossen
  • Migration für Gerätehersteller durch Modul-Ansatz
  • Mit TSN kommt auch Gigabit-Ethernet ins Feld

TSN, ursprünglich für die Echtzeit-Übertragung von Audio und Video-Daten (AVB) in Ethernet-Netzwerken konzipiert, kann viel mehr. Schnell wurde klar, dass sich TSN aufgrund seiner Echtzeit-Eigenschaften auch sehr gut für andere Bereiche eignet, zum Beispiel für die Echtzeit-Kommunikation in Fahrzeugen, im Finanzwesen (Echtzeitkommunikation für die Börse) oder eben auch für die Echtzeitkommunikation in industriellen Anwendungen.

Nicht ohne Grund haben praktisch alle Feldbusorganisationen und zahlreiche Automatisierungshersteller ehrgeizige Zeitpläne aufgestellt, was die Integration von TSN in ihre Standards und Geräte betrifft. Gerätehersteller stehen daher erneut vor der Herausforderung, die Kommunikationsschnittstelle ihrer Automatisierungsgeräte an eine neue Technologie anzupassen. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: per Neuentwicklung oder auf Basis einbaufertiger Kommunikationsmodule.

TSN – ein Baukasten aus zehn Standards

Die Echtzeiterweiterung TSN darf man nicht als einen einzelnen Standard in Form einer Spezifikation verstehen, die Ethernet echtzeitfähig macht. Vielmehr ist TSN ein Baukasten aus aktuell zehn einzelnen Standards für jeweils unterschiedliche Mechanismen und Funktionen. Abhängig vom Anwendungsbereich und dessen Anforderungen lässt sich aus den Einzelstandards die für das Echtzeitverhalten geforderte Funktionalität zusammenstellen. Ein Problem besteht allerdings derzeit: Es sind bis dato erst drei der zehn Standards verabschiedet; die restlichen noch in der Spezifikationsphase.

TSN spezifiziert im Wesentlichen Funktionen für die Ebene 2 (Data Link Layer) des ISO/OSI-Schichtenmodells und bildet somit die Basisfunktionen für die Echtzeit-Übertragung verschiedener Anwendungsprotokolle, zum Beispiel IP, TCP, UDP, OPC UA, MQTT. Darüber hinaus kann es auch der Unterbau für Anwendungsprotokolle wie Profinet oder Ethernet/IP sein.

TSN-Mechanismen alleine sind also noch keine Lösung für einen standardisierten Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Erst in Kombination mit den passenden Anwendungsprotokollen ergibt TSN in der Automation wirklich Sinn.

Dank seiner Echtzeit-Eigenschaften kann TSN anlagenweit – sowohl in den IT-Netzwerken, als auch in der Produktion (OT, Operational Technology) – eingesetzt werden. TSN könnte somit einen wichtigen Beitrag zur systemübergreifenden Kommunikation, der sogenannten IT/OT-Integration, leisten. Nicht ohne Grund gilt TSN als eine wichtige Basistechnologie für die Realisierung innovativer Automatisierungslösungen nach Industrie 4.0-Prinzipien. Weitere Vorteile sind die Robustheit auch bei hoher Netzwerklast, geringe Latenzzeiten bei der Kommunikation sowie gute Plug&Work-Eigenschaften. Seine volle Leistungsfähigkeit wird TSN jedoch erst in Gigabit-Ethernet-Netzwerken ausspielen können.

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Ohne Anwendungsprotokolle geht es nicht: Profinet integriert TSN in der Schicht 2 als Alternative zu den IRT-Funktionen, greift in die Profinet-Kernfunktionen bei der Übertragung von Prozessdaten, Alarm- und Diagnosedaten aber nicht ein. HMS

TSN Integration am Beispiel von Profinet

In der Profibus Nutzerorganisation hat man die Bedeutung von TSN als künftigen Echtzeit-Ethernet-Standard früh erkannt. Ähnlich, wie schon bei der Migration von Profibus zu Profinet, verfolgt die PNO das Ziel, die neuen Möglichkeiten in das Gesamtsystem zu integrieren, allerdings ohne die Anwendersicht auf das Netzwerk zu verändern. Aktuell arbeitet die PNO daran, TSN als Alternative zu den RT/IRT-Protokollen im Data Link Layer von Profinet zu implementieren. Der Vorteil: Anwender können TSN nutzen, ohne die Profinet-Kernfunktionen bei der Übertragung von Prozessdaten, Alarm- und Diagnosedaten zu verändern. Dass dieser Ansatz funktioniert, hat sich bereits bei der Migration von Profibus zu Profinet gezeigt.

Über die Integration von TSN hinaus, arbeitet die PNO auch daran, die Funktionen von OPC UA für geeignete Anwendungen zu implementieren, beispielsweise für die Kommunikation zwischen mehreren Controllern untereinander oder mit dem HMI.

Ähnliche Ansätze bei der Integration von TSN verfolgen auch die jeweiligen Nutzerorganisationen für Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink und Modbus.

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Anybus-Module haben eine standardisierte und busunabhängige Hard-und Software-Schnittstelle zur Geräteelektronik. HMS

Herausforderungen für die Gerätehersteller

Die vielversprechenden Möglichkeiten von TSN, OPC UA und MQTT lassen sich jedoch nur nutzen, wenn auch die Kommunikationsschnittstelle des Automatisierungsgeräts die Protokolle unterstützt. Jedoch, die Implementierung der komplexen Funktionen ist nicht trivial und erfordert fundiertes Expertenwissen. Während OPC UA und MQTT sich – sofern genügend Speicher vorhanden ist – meist als Software-Update realisieren lassen, erfordert TSN ein komplettes Hardware-Redesign der Kommunikationsschnittstelle im Automatisierungsgerät. Die Ursache liegt in den ausgeklügelten Synchronisations- und Scheduling-Mechanismen von TSN, die ohne spezielle Hardware (Protokoll-Chips) nicht realisiert werden können. Zudem nutzt TSN Gigabit-Ethernet, während die heutigen industriellen Ethernet-Protokolle überwiegend auf 100 Mbit-Technologie basieren.

Für Gerätehersteller ist der Übergang in die neue Kommunikationslandschaft entweder mit einem aufwändigen Hardware- und Software-Entwicklungsprojekt verbunden oder er entscheidet sich für eine modulare Lösung auf Basis einbaufertiger Kommunikationsmodule, beispielsweise von der Firma HMS. Deren Anybus-Module beinhalten sämtliche Hard- und Software-Funktionen einer Kommunikationsschnittstelle. Die Module gibt es für alle gängigen Feldbus- und Industrial Ethernet-Protokolle. Module mit TSN-Integration sind in der Entwicklung.

Der Vorteil des Konzepts liegt in der Austauschbarkeit der Kommunikationstechnologien. HMS erreicht dies durch ein vom jeweiligen Busprotokoll unabhängiges, einheitliches Hard- und Software-Interface zwischen Modul und Geräteelektronik. Automatisierungsgeräte mit einem Anybus-Steckplatz, lassen sich bei Bedarf daher einfach durch einen Wechsel des Kommunikationsmoduls auf Technologien wie TSN hochrüsten.

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Für die Integration gibt es die Anybus Module in den Formfaktoren Brick, Chip und Modul. HMS

Entwicklungskosten sparen

Die Module sind sowohl mechanisch in drei Formfaktoren (Modul, Brick und Chip) als auch Software-seitig standardisiert. Der Modul-Ansatz verringert den Aufwand bei der Entwicklung einer universellen Kommunikations-Schnittstelle um bis zu 70 %. Darüber hinaus sind Entwicklungszeit und -risiko wie auch die Time-to-Market wesentlich verkürzt.

Gerätehersteller kommen am schnellsten mit dem einbaufertigen Kommunikationsmodul zum Ziel. Bei dem in sich gekapselten Einschubmodul sind die komplette Hard- und Software einschließlich Netzwerkstecker in ein Kunststoffgehäuse integriert. Die Bricks lassen dem Entwickler wiederum mehr Freiheitsgrade bei der Auswahl der Steckverbinder und der Anordnung der Kommunikationsschnittstelle auf der Geräteelektronik. Bei großen Stückzahlen spielt der Aspekt Modularität in der Regel keine Rolle mehr. Hier können Hersteller die Technologie als Chip nebst Softwarestacks lizenzieren und nahtlos in ihre Elektronik integrieren – bei Bedarf mit Unterstützung der Experten aus dem Bereich Technical Services. Die HMS Solution Center realisieren sogar individuelle Ausführungen.

Mit mehr als fünf Millionen verkaufter Module hat die Anybus-Technologie einen hohen Reifegrad erreicht und ihre Zukunftsfähigkeit bewiesen. Module mit OPC UA und MQTT Support sind bereits verfügbar. Varianten mit TSN werden – nachdem die Spezifikationsarbeiten in IEEE sowie in PNO, ODVA und ETG abgeschlossen sind – die Modulfamilie zeitnah ergänzen.

Michael Volz

ist Unternehmensberater und unterstützt HMS als Senior Advisor beim Aufbau neuer Geschäftsfelder.

(sk)

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