Sie ermöglicht eine erhebliche Verbesserung der industriellen Ethernet-Standards durch mehr Konvergenz und Transparenz zwischen IT (Informationstechnik) und OT (Operational Technology). Unternehmen, die konvergente und transparente Kommunikationssysteme einsetzen, bekommen präzise Einblicke in ihre Prozesse und gewinnen dadurch Informationen zur Qualitätssteigerung, Produktivitätserhöhung und können schließlich hiermit die Produktionskosten senken. TSN bietet Unternehmen sehr viele neue Möglichkeiten für einzelne Fertigungsbereiche bis hin zur Realisierung der Smart Factory.

TSN – Der technische Hintergrund

TSN ist eine Technologie, die die Eigenschaften gegenwärtiger Ethernet-basierter industrieller Netzwerke erweitert. Sie ist im Data Link Layer, der Schicht 2 des OSI-Referenzmodells, angesiedelt. Die Erweiterungen werden durch die IEEE-802.1-Ethernet-Substandards definiert und haben das Ziel, Determinismus und Konvergenz verschiedenster Datenströme in einem Netzwerk zu erreichen.

Zwei besonders wichtige TSN-Substandards im Hinblick auf diese Funktionalitäten sind IEEE 802.1 AS und IEEE 802.1 Qbv. Der Substandard IEEE 802.1 AS basiert ursprünglich auf IEEE 1588 „Standard for a Precision Clock Synchronisation Protocol for Networked Measurement and Control Systems“ und sorgt dafür, dass alle Komponenten im Netzwerk sich nach einem gemeinsamen Zeitsystem richten. So wird die Grundvoraussetzung der Synchronisation aller Netzwerkkomponenten mit hoher Genauigkeit erreicht. Der Netzwerk-Clock-Master übernimmt dabei die Zeitsynchronisation. Er sendet Zeitinformationen im Format von Ethernet-Paketen sowohl an jeden Netzknoten als auch an das „Time-Aware System“ im Netzwerk. Dadurch arbeiten alle Netzwerkkomponenten nach dem gleichen Takt und minimieren die Wahrscheinlichkeit von Zeitabweichungen (Jitter), die die Datenübertragung verzögern würden. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu Standard-Ethernet-Netzwerken, in denen jedes Gerät seinem individuellen Takt folgt. Hier summieren sich Zeitfehler auf und führen zu unerwünschtem Jittern.

IEEE 802.1Qbv nutzt die von IEEE 802.1AS geschaffene synchronisierte Umgebung für effektive Traffic-Scheduling-Systeme. Dieser Substandard sieht Netzwerk-Switche mit sogenannten Time-Aware-Shapers (TAS) vor, um zeitkritische Daten, wie Bewegungs- und Steuerungsdaten, zu transportieren. TAS ermöglichen die Priorisierung dringender und regelmäßiger Daten mithilfe periodischer Zeitfenster (Slots), die durch ein Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) geschaffen werden. Innerhalb dieser Slots werden ausschließlich terminierte oder reservierte zeit- oder missionskritische Daten übertragen, und zwar kollisionsfrei. Da alle TAS und Netzwerkkomponenten synchronisiert sind, ist auch allen Teilnehmern bekannt, wann priorisierte Daten gesendet und verarbeitet werden. Die Sende- und Empfangszeiten sind auf diese Weise über die Traffic-Definitionen der Datenpakete festgelegt. Die TSN-Standards verhindern durch die Traffic-Planung eine Überlastung des Netzwerks und ermöglichen eine deterministische Kommunikation, bei der kein Datenpaket verloren geht.

Neue Möglichkeiten durch TSN

Daraus ergibt sich, dass neben den Daten zur Maschinensteuerung wie E/A-Zustände auch Safety- (Funktionale Sicherheit) und Motion-Control-Daten über das gleiche Netzwerk synchron in Echtzeit transportiert werden. Des Weiteren lassen sich asynchrone, nicht zeitkritische Daten jeglicher Art, basierend auf TCP/IP oder UDP/IP, wie zum Beispiel Kameras oder Barcode-Lesegeräte, jederzeit mit übertragen. So lassen sich verschiedene Arten von Daten vorhersehbar durch das Netzwerk leiten und steuern. Es werden somit einfachere, schlankere, kostengünstigere und leichter zu wartende Netzwerkarchitekturen realisiert, was vor allem die Investitionsaufgaben (Capex) reduziert.

Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit der Konvergenz, die Bereiche OT und IT zusammenzuführen, und schafft ein neues Maß an Transparenz in den Fertigungsprozessen. Ob die Implementierung von Konvergenz und Transparenz gelingt, hängt maßgeblich von der Leistungsfähigkeit der unterstützenden industriellen Netzwerke ab. Das Netzwerk muss große Datenmengen aus verschiedensten Quellen in unterschiedlichste Bereiche des Unternehmens übertragen. Dieser Datenverkehr muss deterministisch, also zuverlässig und vorausberechenbar erfolgen, damit ein betrieblicher Performance- und Effizienzgewinn erreicht wird. Für Endanwender, Maschinenbauer und Automatisierungsanbieter ist dies ein neuer effizienter, kostensparender und holistischer, also ganzheitlicher Lösungsansatz für die Umsetzung von innovativen Ideen zur Produktionsplanung von Fertigungsprozessen.

Beim Retro-fit können Endanwender ihre Anlagen mit TSN basierter Netzwerktechnologie für die künftigen Innovationen aufrüsten und erweitern. Bei der Einbindung von existierenden Anlagen und deren Ethernet-basierten Netzwerken werden auch die übergeordneten zugehörigen Systeme berücksichtigt. Dies ermöglicht die sogenannte Daten-Konvergenz, also Zusammenlegung von IT und OT, und bedeutet Sicherung der bereits getätigten Investitionen bei gleichzeitiger Mitnutzung der neuesten Technologien in den Erweiterungen. Des Weiteren wird so die Anzahl für den Betrieb nötiger Netzwerke reduziert, und somit auch Kosten gesenkt, indem verschiedene Datenströme zusammengeführt und dennoch Determinismus gewährleistet wird. Maschinenbauer können ihrerseits Kosteneinsparungen an ihre Kunden weitergeben, weil insgesamt weniger Hardware und Engineering-Aufwand für die Entwicklung, Konfiguration und Installation von Netzwerksystemen erforderlich sind. Es wird hier deutlich der Engineering-Aufwand für die Datenanbindung reduziert. Beispielsweise kann eine direkte Adressierung vom Edge-PC oder aus der IT-Ebene von einem lokalen Scada-System oder einer Cloud-Applikation auf Endgeräte in die OT-Ebene erfolgen, ohne, wie üblich, in der SPS ein Mapping mit vordefinierten Daten vorzubereiten oder ständig zu aktualisieren. Dieses beschleunigt die Umsetzung von Projekten und vereinfacht Optimierungen bei späteren Funktionserweiterungen.

TSN ermöglicht Konvergenz zwischen den verschiedenen Kommunikationsebenen von IT und OT. © CC-Link

Die durch TSN unterstützte Konvergenz erleichtert den Datenaustausch zwischen den Unternehmensebenen und gestaltet die Prozesse für die Endanwender transparenter. Letzten Endes bedeutet Transparenz, mehr Daten aus industriellen Prozessen zeitkritisch zu transportieren, extrahieren und analysieren zu können, um so zu aussagekräftigen Informationen zu gelangen, die zu einem besseren Verständnis der Betriebsabläufe der Fertigung beitragen. Diese Erkenntnisse können dann zur Optimierung von Performance, Produktivität, Effizienz und Endproduktqualität genutzt werden.

Höhere Produktivität mit KI-Analyse

TSN unterstützt den Aufbau von Netzwerken, die verschiedenste Datenflüsse übertragen, die sich natürlich auch zur Analyse von Fehlern und Lokalisierung potenzieller Probleme eignen. Eingehende Daten und Fehlermeldungen sind im TSN-Netzwerk mit Echtzeit-Zeitstempeln versehen und lassen sich beispielsweise über den Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) auf bestimmte Muster in der Cloud oder auch lokal im Edge-PC analysieren. So lassen sich Ursachen und Symptome klar differenzieren und die geeigneten Maßnahmen ergreifen. Ein weiteres Beispiel ist die vorausschauende Wartung mit Schwingungsanalyse, also Predictive Maintenance, die bestimmte Schwingungsmuster erkennt und einem Fehlertypus zuordnen kann. Dies ermöglicht Endanwendern ein sofortiges Gegensteuern zur Vermeidung von Schäden oder gezielte vorausschauende Planung und Durchführung von Wartungs- oder Reparaturarbeiten ihrer Anlagen. So werden Ausfallzeiten reduziert und die Gesamtverfügbarkeit erhöht, und das gesamte Fertigungssystem wird in sich produktiver.

Die CC-Link Partner Association (CLPA) kann mit ihren zukunftsweisenden offenen Automatisierungsnetzwerken eine sehr gute Erfolgsbilanz vorweisen. Bereits Ende 2018 hat die CLPA CC-Link IE TSN als TSN-basiertes industrielles Netzwerk veröffentlicht, das Entwicklungen TSN-fähiger Produkte durch die Automatisierungshersteller ermöglicht. Unternehmen der Fertigungsindustrie ermöglicht es CC-Link IE TSN, ihre Betriebsabläufe in der Produktion transparent darzustellen und zu verbessern. Unternehmen, die durch TSN ihre Anlagen, Maschinen oder Automatisierungsprodukte optimieren möchten, treffen mit CC-Link IE TSN eine verlässliche Wahl. Hierbei handelt es sich um das erste offene industrielle Ethernet, das die Gigabit-Bandbreite mit TSN-Funktionalität kombiniert, um sowohl die Anforderungen heutiger als auch zukünftiger Applikationen zu erfüllen. Darüber hinaus sind kompatible Produkte und Lösungen von führenden Automatisierungsanbietern bereits für Endanwender erhältlich. Christoph Behler, CLPA