Profinet mit TSN-Layer

Herr Schneider, was ist die Motivation, das Time Sensitive Networking der IEEE in die Profinet-Architektur zu integrieren?

Der Reiz von TSN ist die Kombination aus hoher Bandbreite, Deterministik und Verfügbarkeit. Redaktion IEE

Karsten Schneider: Time Sensitive Networking ist eine vielversprechende Technologie, die sich aus dem Audio Video Bridging entwickelt hat. Wir sehen überall, dass die IT-Welt und die OT-Welt immer mehr zusammenwachsen. Mit TSN können wir die Bandbreite aus der IT-Welt – Gigabit und mehr – mit dem deterministischen Verhalten der OT-Welt, zum Beispiel unseres Profinet IRT, kombinieren – auf Basis einer Standardtechnologie und Bausteinen, die von den IT-Chipherstellern kommen.

TSN gibt uns die Möglichkeit das Beste aus IT – vor allem die Bandbreite und Standard-Chips – mit der Deterministik von Profinet zu kombinieren. Darin sehen wir auch wirklich den Mehrwert.

TSN besteht aus zehn einzelnen Technologien die längst nicht zu Ende spezifiziert sind. Was schätzen Sie, wann wird die Technologie tragfähig, einsatzreif sein?

Karsten Schneider: Die Spezifizierung und Standardisierung ist natürlich ein Prozess, der eine Weile dauert. Die bislang veröffentlichten Standards sind wichtig, aber es fehlen schon noch einige, beispielsweise was das dynamische Verhalten der Konfiguration der Netzwerke betrifft.

Viel interessanter ist, dass parallel zur Standardisierung, die Chips von den Halbleiterherstellern bereits entwickelt werden – und das relativ schnell. Daher müssen wir gar nicht so lange warten, bis wir die Technik nutzen können.

Die eigentliche Hürde für einen Einsatz in der Breite kommt erst später. Zuerst müssen möglichst viele Anbieter die TSN-Chips in ihre Geräte implementieren. Deswegen wird es schon noch ein paar Jahre dauern, bis sich TSN in einem großen Roll-Out in den Fabriken etabliert.

Ein Vorteil für die PNO und jene, die sich mit der Integration beschäftigen.

Karsten Schneider: Absolut. Das Schöne an TSN ist, dass sich die Anpassungen im OSI-Modell im Wesentlichen auf den Layer 2 begrenzen. Das macht die Implementierung für uns als PNO, für Gerätehersteller und später für die Anwender relativ leicht. Denn die Applikationen bleiben gleich. Das ist ein wichtiger Aspekt hinsichtlich Sicherung der Investitionen und Zukunftssicherheit heutiger Technologieentscheidungen.

Wo bestehen für Sie aktuell und in der Zukunft die Herausforderungen bei der Migration und Implementierung von TSN?

Karsten Schneider: Momentan stehen wichtige Weichenstellungen an. Schließlich ist TSN zunächst ein bunter Strauß an Technologien. Welche davon für die Applikation benötigt werden und wie sie einzusetzen sind, das sind die Fragen, die wir momentan klären.

Es reicht nicht, einfach nur in der IEEE die Einzeltechnologien zu spezifizieren. Ich muss zusätzlich sozusagen ein Profil darüberlegen, das definiert, welche Technologie wie genutzt wird. Auch die Netzwerk-Konfiguration ist ein spannendes Thema, über das die IEEE sich noch nicht viele Gedanken gemacht hat.

Worauf kommt es hier an?

Karsten Schneider: Im Idealfall muss das Plug&Play-mäßig funktionieren. Bei IRT haben wir Erfahrungen mit konfigurierten Netzwerken gesammelt. Bei TSN soll das einfacher werden. Auch darüber diskutieren wir momentan in unseren Arbeitsgruppen, und überlegen welche Technologien wir dafür nutzen wollen. Wichtig ist für uns auch eine einfache Stack-Integration auf der Geräteseite, denn wir wollen möglichst viele Gerätehersteller gewinnen, mit uns diesen Weg zu gehen. Da spielen Integrationskosten immer eine wichtige Rolle.

Bis zum Jahresende haben wir ein detailliertes Gesamtbild, wie wir TSN nutzen werden. Redaktion IEE

Wie schätzen Sie den Zeitbedarf der Arbeitsgruppen ein?

Karsten Schneider: Ich rechne damit, dass wir bis zum Ende des Jahres ein detailliertes Gesamtbild der Technologie haben, wie wir TSN nutzen werden.Das Ganze dann in eine Spezifikation zu gießen, dauert erfahrungsgemäß noch mal einige Monate. Bis die Technologie dann wirklich sich bei Endkunden in auch nennenswertem Umfang wiederfindet, werden noch einige Jahre vergehen. Die kommenden Jahre werden daher geprägt sein von einer Übergangszeit mit gemischten Netzen – vergleichbar mit der Umstellung von Profibus auf Profinet. Der Vorteil: Es sind keine separaten Gateways notwendig. Die Migration ist daher leichter durchzuführen.

Ist die Umstellung eines Geräts von Profinet RT/IRT auf Profinet TSN mit einem einfachen Firmwareupdate getan?

Karsten Schneider: In der Regel nicht, weil die Hardware-Chips die neuen IEEE TSN-Mechanismen integriert haben müssen. Das gilt allerdings nicht nur für Profinet-Geräte, sondern für alle TSN-fähigen Geräte. Da viele Gerätehersteller hier auf standardisierte Schnittstellenmodule setzen, ist das meist mit einem Modulwechsel getan. Das geht also schnell, zumal an den darüber liegenden Anwendungsschichten nichts geändert werden muss. Das macht den besonderen Reiz von TSN aus.

TSN wird von der IEEE standardisiert. Profinet und Profibus sind IEC-Standards. Warum führt man beides nicht zusammen?

Karsten Schneider: Eigentlich ist das relativ sauber gelöst. Es gilt das Prinzip, Doppelstandardisierungen zu vermeiden. Wenn in der IEC etwas definiert ist, wird es nicht mehr in der IEEE standardisiert, und umgekehrt. Profinet ist zwar in der IEC standardisiert, basiert aber auf Standard-Ethernet. Daher verweisen wir auf IEEE-Standards. Und das werden wir bei TSN wieder genauso machen und in der IEC ein Applikationsprofil für die Industrie standardisieren, das genau beschreibt, welche TSN-Standards wie genutzt werden.

Ist es denkbar, dass auch die IEEE auf die IEC referenziert?

Karsten Schneider: Viele unserer Mitgliedsfirmen engagieren sich auch in der IEEE und bringen darüber unsere Anforderungen an TSN ein. Mit TSN haben wir die große Chance, über die IEEE die Kommunikationstechnologie über viele Industrien und Branchen zu harmonisieren. Wir können dann auf diesen Standard aufsetzen und unsere Detaillierung für die Industrieautomatisierung in der IEC umsetzen.

Es sind diverse Testbeds mit TSN aktiv. Können daraus unterschiedliche Empfehlungen oder Anforderungen entstehen, die zu verschiedenen TSN-Implementierungen führen, eventuell inkompatiblen Lösungen?

Karsten Schneider: Ganz im Gegenteil. Die verschiedenen Testbeds sind sehr wichtig, damit wir möglichst früh ein Gefühl dafür bekommen, ob das, was wir standardisieren, auch wirklich funktioniert. Nichts wäre schlimmer, als einen Standard zu schreiben, der bei der ersten Implementierung versagt. Die Testbeds sind hier ideale Plattformen, das vorher zu testen.

Zudem fokussieren die Testbeds auf unterschiedliche Anforderungen. Das LNI-Testbed des Labs Network Industrie 4.0 in Augsburg konzentriert sich auf Plug&Play-Anwendungen, das heißt dynamischere und dezentral konfigurierte Netzwerke. Wir wollen eine saubere Schnittstelle zwischen Endgerät und Netzwerk definieren, die es erlaubt, Kommunikationsbeziehungen im laufenden Betrieb der Anlage zu etablieren. Dagegen adressiert das Industrial Internet Consortium eher eine zentrale Konfiguration.

Wichtig ist, dass darauf achtet wird, diese unterschiedlichen Aspekte zusammenzubringen. Aufgrund der großen Schnittmenge bei den beteiligten Unternehmen, habe ich keine Zweifel, dass beides am Ende zusammenpasst. Unser aller Ziel muss sein, dass die Geräte in beiden Netzen funktionieren, egal wie es konfiguriert wurde. Sonst hätten wir etwas falsch gemacht.

Wie es um die Kooperation mit der CC-Link Partnerorganisation bezüglich TSN bestellt ist, lesen Sie auf Seite 2.

Die verschiedenen TSN-Testbeds sind für die Evaluierung sehr wichtig. Redaktion IEE

Die Projektgruppe wurde im Frühjahr initiiert. Woran wird gerade gearbeitet?

Karsten Schneider: Anfangs gab es ein Sammelsurium an Ideen, Anforderungen und Technologien. Daraus haben wir die wesentlichen Themen herausgearbeitet: TSN, OPC, Security, Semantik sowie die Netzwerkadressierung via IPV6. Auf diesen fünf Gebieten sehen wir den größten Handlungsbedarf und den größten Nutzen.

Mittlerweile wird an diesen Themen gearbeitet, wenn auch mit unterschiedlichen Prioritäten und Geschwindigkeiten: An TSN akut und konzentriert. Beim Thema Semantics stehen wir noch am Anfang, IPV6 befindet sich in der Konzeptphase.

Die PNO koooperiert mit der CC-Link Partnerorganisation. Ziel ist, beide Netzwerke und Geräte in Anlagen kombinieren zu können. Wird diese Kooperation auch in Richtung TSN erweitert?

Karsten Schneider: Das ist momentan noch zu früh, wobei wir über solche Themen miteinander reden. Realisiert haben wir einen Koppler, der ein CC-Link-Netzwerk mit einem Profinet-Netzwerk verbindet. Controller auf der CC-Link-Netzwerkseite können darüber mit Controllern auf der Profinet-Seite kommunizieren. Der nächste logische Schritt ist, das Thema OPC UA gemeinsam anzugehen. Denn wir wollen für die Controller-Controller-Kommunikation OPC UA nutzen. Was spricht dagegen, sich hier mit der CC-Link-Organisation abzustimmen? Und mit OPC UA kommt zwangsläufig auch das Thema TSN auf den Tisch. Denn früher oder später nutzen alle ein identisches TSN.

Wie sieht es in Richtung der ODVA aus? Deren Ethernet/IP ist in den unteren Schichten doch identisch zu Profinet.

Karsten Schneider: Als PNO haben wir in den letzten Jahren bewiesen, dass wir zu einer Zusammenarbeit mit allen bereit sind. Zum Thema TSN gibt es aktuell keine Gespräche mit der ODVA. In den IEEE-Gremien sitzen aber Vertreter aus allen Lagern am Tisch und arbeiten gemeinsam an TSN. Praktisch findet dort also bereits ein Austausch und eine Zusammenarbeit statt.

Diskutiert die Arbeitsgruppe Industrie 4.0 auch Szenarien wie eine direkte Kopplung an Cloud-Systeme?

Karsten Schneider: Absolut. Das ist der dritte Use-Case, den wir abdecken wollen – die Device oder Controller-Kommunikation zur Cloud.

Und die beiden anderen Use-Cases sind nochmal?

Karsten Schneider: Neben der klassischen Controller-Device-Kommunikation ist das die Controller-Controller-Kommunikation. Letzteres stand bislang eher nicht im Fokus, weil jeder Anbieter seine eigene Umgebung hat. Unabhängig von den jeweiligen Plattformen wollen wir auf Basis von OPC eine Lösung definieren, damit Controller miteinander, letzten Endes Maschinen oder Aggregate untereinander, kommunizieren können.

Jeder Use Case stellt andere Anforderungen an TSN. Bei einer Device-Cloud-Übertragung brauche ich nicht mehr Zykluszeiten im Millisekundenbereich, wie bei einer Controller-Device- Kommunikation. Dagegen gewinnen Themen wie die Übertragung und Strukturierung großer Datenmengen an Bedeutung.

Wird auf der SPS IPC Drives schon etwas Konkretes zum Thema Profinet@TSN zu sehen sein?

Karsten Schneider: Eine technische Lösung sicher nicht. Bis dahin haben wir aber ein klares Bild, wie die Technologie umzusetzen ist und auch die Roadmap dafür. Das werden wir dann in Nürnberg vorstellen und mit den Besuchern und Ausstellern gerne diskutieren.

Das Interview führte Chefredakteuer Stefan Kuppinger

(sk)