Data Processing & Analytics
26.08.2015

Der Mehrwert von Ethernet TSN

Echtzeit mit Standard-Ethernet nach IEEE 802.1? Was vor wenigen Jahren als kaum realisierbar schien, wird heute in entsprechenden Arbeitsgruppen der IEEE 802.1 unter der Bezeichnung Time Sensitive Network (TSN) erarbeitet. openautomation sprach mit Dr. Oliver Kleineberg, Manager ­Advance Development bei der Hirschmann Automation and Control GmbH.

Welche Vorteile bietet Ethernet TSN (Time Sensitive Network) für die Automatisierungstechnik?

Dr. O. Kleineberg (Bild): Das Standardisierungsgremium hinter der IEEE 802 hat das Ethernet selbst spezifiziert. Nun wird innerhalb der IEEE 802 eine standardisierte Echtzeit-Ethernet-Lösung erarbeitet. Dadurch wird eine sehr breite technische Akzeptanz quasi garantiert. Dies führt zu hoher Investitionssicherheit (kein „totes Pferd“) und niedrigen Geräte- und Gesamtsystemkosten, da alle Geräte- und Chiphersteller die Technologie übernehmen werden. Sicher gestellt wird eine Echtzeitkommunikation mit Ethernet auch für die anspruchsvollsten Anwendungsanforderungen, zum Beispiel Motion Control und Safety. Zur bestehenden Standard-Ethernet-Technologie wird TSN vollständig kompatibel sein. Ein Einsatz von Gateways oder Protokollumsetzern ist nicht notwendig.

Wann und wie ist die Idee dazu entstanden?

Dr. O. Kleineberg: Die Idee entstand während der Spezifikation der Vorgängertechnologie, AVB (Audio- and Video Bridging). Bereits 2009 wurde intern bei Hirschmann das Thema „AVB“ als Option für ein standardisiertes Echtzeit-Ethernet diskutiert. Ebenfalls 2009 begann die Teilnahme und aktive Mitarbeit in der Arbeitsgruppe IEEE 802.1 AVB. Im Mai 2010 erfolgte die erste offizielle Präsentation der Idee vor der IEEE-Arbeitsgruppe in einem gemeinsamen, koordinierten Vorgehen zwischen Siemens und Hirschmann. Kurz darauf folgte die offizielle Aufnahme der Diskussionen zu diesem Thema.

Wann werden die Arbeiten zum neuen IEEE-Standard abgeschlossen werden?

Dr. O. Kleineberg: TSN besteht aus verschiedenen IEEE-802.1- und -802.3-Spezifikationen. Einige Projekte werden bereits seit 2012 bearbeitet, während andere erst Anfang 2015 gestartet wurden. Unter Berücksichtigung der erlaubten Projektlaufzeiten des IEEE 802 und den unterschiedlichen Teilspezifikationen ist frühestens 2017 mit einem arbeitsfähigen System zu rechnen.

Was wurde bisher erreicht?

Dr. O. Kleineberg: Für alle über Anforderungen und konkrete Anwendungsszenarien identifizierten Herausforderungen wurden in der IEEE 802.1 Lösungsansätze präsentiert und Projekte gestartet, die die technische Ausarbeitung im Detail verfolgen. Dies beinhaltet neben echtzeitfähigen Schedulern in den Ethernet-Switchen auch Mechanismen zur Bandbreitenreservierung auf dem Netzwerkmedium und dem expliziten Zugriffschutz – also einem Mechanismus, um eine Überlastung des Netzwerkmediums zu verhindern. Mit den jetzt in der Entwicklung befindlichen Spezifikationen geht die Leistungsfähigkeit von TSN weit über das hinaus, was Ethernet und auch viele bereits speziell angepasste Ethernet-Varianten leisten können.

Welche Unternehmen unterstützen die Arbeiten?

Dr. O. Kleineberg: Zahlreiche namenhafte Unternehmen aus den Bereichen Industrieautomatisierung und Automobilindustrie unterstützen die IEEE-Arbeitsgruppe. Neben Hirschmann sind beispielsweise Firmen, wie Bosch, Siemens, General Motors, General Electric und National Instruments vertreten, um nur einige zu nennen.

Wann erwarten Sie die ersten Produkte, die TSN unterstützen? Gibt es schon Gespräche mit den Chip-Produzenten?

Dr. O. Kleineberg: Die großen Produzenten für Switching Chips, zum Beispiel Marvell und Broadcom, sind selbst in der IEEE-802.1-Standardisierung aktiv und haben von der ersten Minute an ihr Know-how in den Standardisierungsprozess eingebracht. Es ist also damit zu rechnen, dass sehr zeitnah nach der finalen Verabschiedung der Spezifikationen bereits funktionsfähige Chips zur Verfügung stehen werden.

Welche Leistungsfähigkeit bzw. Zykluszeiten wird TSN unterstützen?

Dr. O. Kleineberg: Da die Spezifikationen noch nicht final sind, kann diese Frage noch nicht hundertprozentig sicher beantwortet werden. Aktuell wird hinsichtlich Zykluszeit der niedrige zweistellige Mikrosekundenbereich angestrebt. TSN selbst ist nicht an eine bestimmte Bandbreite des Netzwerks gebunden. Als Minimum wird 100 Mbit/s Full Duplex vorausgesetzt; die ersten Implementierungen werden voraussichtlich auf Basis von 1.000 Mbit/s realisiert werden. Später kann dies (bei Bedarf) auf 10-Gbit/s-Netz­-werke (und größer) ausgedehnt werden.

Mit welchen Technologien wird dies erreicht?

Dr. O. Kleineberg: Mit einer Kombination aus einem Zeitschlitzverfahren für den Medienzugriff, einer Methode zur Registration von Kommunikationsströmen und zur Bandbreitenreservierung, mit Zeitsynchronisation zwischen allen Knoten des Netzwerks und einem Verfahren zur unterbrechungsfreien Fehlertoleranz.

Wo sehen Sie die vorrangigen Einsatzgebiete?

Dr. O. Kleineberg: Überall dort, wo absolute Garantien für Ende-zu-
Ende-Latenz, kombiniert mit sehr hoher Verfügbarkeit benötigt werden. Ein konkretes Beispiel sind die Motoren, die den Anstellwinkel der Rotorblätter in einem modernen Windrad synchron verändern oder die Steuerung von Fertigungsrobotern. Durch die hohe Leistungsfähigkeit, gepaart mit Hochverfügbarkeit und der Fähigkeit, Kommunikationsströme dynamisch zu manipulieren, ergibt sich auch eine sehr gute Anwendbarkeit in zukünftigen Industrie-4.0-Netzwerken, denn genau diese Netzwerke stellen erhöhte Anforderungen an Dynamik und die Fähigkeit zur Neukonfiguration. Auch außerhalb der Industriellen Automatisierungstechnik wird TSN eingesetzt werden: Eine große Zahl an Automobilherstellern ist in der TSN-Standardisierung aktiv. TSN wird in zukünftigen Kommunikationslösungen für Automobile eine wichtige Rolle spielen.

Wird mit dieser Performance TSN nicht auch eine Alternative zu den etablierten Industrial-Ethernet-Protokollen, wie Profinet, Ethercat, Powerlink etc?

Dr. O. Kleineberg: Der eigentliche Wert eines etablierten Industrial-Ethernet-Protokolls, wie Profinet IO oder Ethernet/IP, liegt ja nicht in der Fähigkeit, auf ISO-OSI Layer 2 deterministisch Daten zu übertragen. Der Wert liegt viel mehr in der Gerätemodellierung, in der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation, den HMI-Werkzeugen und anderen.

TSN bietet sämtliche, für eine deterministische und zuverlässige Datenübertragung auf Layer 2 notwendige Technologien an. Etablierte Protokolle wie Profinet können auf TSN aufsatteln. Das kombiniert den Mehrwert einer gut ausgearbeiteten Industrial-Ethernet-Lösung mit der Wirtschaftlichkeit und Zukunftssicherheit einer standardisierten IEEE-802.1-Layer-2-Technologie.

Nicht umsonst hat die OPC Foundation genau diesen Weg gewählt: Die Kombination von OPC UA mit TSN. In einem neuen OPC-UA-Projekt werden Schnittstellen spezifiziert, die die Verwendung der auf den TSN-Geräten vorhandenen Daten zu den Kommunikationsströmen sowie die Konfiguration der Geräte über OPC UA ermöglichen.

www.hirschmann.de

---------------------------------------------------------------------------

Beitrag als PDF downloaden.

---------------------------------------------------------------------------

20 Jahre openautomation

Die Grundidee bleibt, die Dimensionen wachsen

„Eine Branche im Umbruch: Anwender fordern in aller Deutlichkeit kostensenkende, flexible und offene Automatisierungslösungen sowie Durchgängigkeit vom Sensor bis zum Management“ – dieser Grundanspruch hat sich über die letzten 20 Jahre nicht geändert, aber die Dimensionen, die neue Technologien mit sich bringen, lassen die Industrie 4.0 Wirklichkeit werden. Immer im Mittelpunkt dabei: Daten – das viel gepriesene Öl des 21. Jahrhunderts. Die Grundidee der vertikalen Integration bleibt, nur das Wording ändert sich heute.

» Weiterlesen ...

Normen

DIN-VDE-Normen einfach online nutzen

Normen aus dem VDE VERLAG

» Mehr Informationen ...

Zum Schmunzeln

Mann beim Bäcker: „Ich hätte gerne vier Brötchen.“
Bäcker: „Wenn Sie nur drei nehmen, gibt es eins umsonst!“
(Mann überlegt, wer hier nun der Vollidiot ist.)
Copyright © VDE VERLAG GMBH, zuletzt aktualisiert am 18.08.2019