Einfach nachrüsten: So können auch Ihre Geräte TSN

TSN wurde ursprünglich für die Echtzeitübertragung von Audio- und Video-Daten in Ethernet-Netzwerken konzipiert. Schnell wurde jedoch klar, dass sich TSN aufgrund seiner guten Eigenschaften auch sehr gut für andere Anwendungsbereiche wie die schnelle Echtzeit-Kommunikation in Fahrzeugen, im Finanzwesen (Echtzeitkommunikation für die Börse) sowie für die Echtzeitkommunikation in industriellen Anwendungen eignet.

Die Erweiterung 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. Die Standardisierung in der IEE ist noch nicht vollständig abgeschlossen und einige Teile befinden sich noch in der Spezifikationsphase. Je nach Anwendungsbereich gilt es ein Subset aus den insgesamt zehn Einzelstandards zu definieren, mit dem sich die gewünschte Funktionalität verwirklichen lässt. 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 wie beispielsweise IP, TCP, UDP, OPC UA, MQTT einschließlich industrieller Anwendungsprotokolle wie Profinet oder Ethernet/IP. TSN-Mechanismen alleine sind noch keine Komplettlösung für den standardisierten Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Erst im Zusammenspiel mit den passenden Anwendungsprotokollen ist die Anwendung von TSN sinnvoll.

Dank seiner guten Echtzeit-Eigenschaften kann TSN anlagenweit sowohl in den IT-Netzwerken als auch in der Produktion (OT, Operational Technology) eingesetzt werden. TSN kann so einen wichtigen Beitrag zur systemübergreifenden Kommunikation leisten und ist somit eine wichtige Basistechnologie bei der Verwirklichung innovativer Automatisierungslösungen nach Industrie 4.0-Prinzipien. Weitere Vorteile von TSN sind die Robustheit auch bei hoher Netzwerklast, geringe Latenzzeiten bei der Kommunikation sowie gute Plug&Work-Eigenschaften. Die volle Leistungsfähigkeit spielt TSN erst in Gigabit-Ethernet-Netzwerken aus.

In der Profibus-Nutzerorganisation (PNO) hat man die Bedeutung von TSN als zukünftigen Echtzeit-Ethernet-Standard früh erkannt. Ähnlich wie bei der Migration von Profibus zu Profinet verfolgt die PNO das Ziel, die neuen Möglichkeiten in das Gesamtsystem zu integrieren, ohne die Anwendersicht auf das Netzwerk zu verändern. So arbeitet die PNO derzeit an der Integration von TSN als Alternative zu den RT/IRT-Protokollen im Data Link Layer von Profinet. Wie erfolgreich dieser Ansatz ist, hat sich bei der Migration von Profibus zu Profinet gezeigt, wo es der PNO ebenfalls gelungen ist, die Sicht der Anwendungsprogramme auf das Netzwerk zu erhalten, ohne auf die neuen Möglichkeiten der Ethernet-Kommunikation zu verzichten. Über die Integration von TSN hinaus arbeitet die PNO auch daran, die Funktionen von OPC UA für geeignete Anwendungen wie zum Beispiel HMI und die Controller-Controller-Kommunikation in die Profinet-Spezifikation zu integrieren. Ähnliche Ansätze bei der Integration von TSN verfolgen auch die jeweiligen Industrieverbände für Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink und Modbus.

Die vielversprechenden neuen Möglichkeiten von TSN, OPC UA, MQTT lassen sich jedoch erst dann nutzen, wenn die neuen Protokolle auch in der Kommunikationsschnittstelle des Automatisierungsgerätes implementiert wurden. Das ist nicht trivial und erfordert fundiertes Expertenwissen. Während OPC UA und MQTT sich – sofern genügend Speicherplatz vorhanden ist – meist als Software-Update verwirklichen lassen, ist im Falle der TSN-Integration ein komplettes Hardware-Redesign der Kommunikationsschnittstelle erforderlich. Der Hauptgrund dafür liegt in den ausgeklügelten Synchronisations- und Scheduling-Mechanismen von TSN, die ohne spezielle Hardware-Lösungen (Protokollchips) nicht umgesetzt werden können. Zudem nutzt TSN auch Gigabit Ethernet, während heutige industriellen Ethernet-Protokolle überwiegend auf 100-Mbit-Technologie beruhen. Für einen Gerätehersteller ist der Übergang in die neue Kommunikationslandschaft entweder mit einem aufwendigen Hardware- und Software-Entwicklungsprojekt verbunden oder er entscheidet sich für eine modulare Lösung auf Basis einbaufertiger Kommunikationsmodule.

Als Alternative zur Eigenentwicklung einer TSN-fähigen Kommunikationsschnittstelle bietet sich ein Einsatz der Anybus-Kommunikationsmodule von HMS an, einbaufertige Bus-Schnittstellen für Automatisierungsgeräte. Sie beinhalten alle Hard- und Software-Funktionen einer leistungsfähigen Kommunikationsschnittstelle. Anybus-Module gibt es für alle gängigen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Protokolle. Neue Module mit TSN-Integration sind bei HMS bereits in Entwicklung. Ein Vorteil der Anybus-Module liegt in ihrer Austauschbarkeit. HMS erreicht dies durch ein vom jeweiligen Busprotokoll unabhängiges, einheitliches Hard- und Software-Interface zwischen Modul und der Geräteelektronik. In Geräten mit einem Anybus-Steckplatz können neue Technologien wie TSN durch Tausch des Anybus-Moduls einfach nachgerüstet werden.

Die Module sind sowohl mechanisch als auch hard- und softwareseitig standardisiert. Geräte mit Anybus-Steckplatz können das ganze Spektrum der verfügbaren Module nutzen und dadurch mit fast allen industriellen Netzwerken verbunden werden. Durch den Einsatz der Anybus-Module verringert sich der Aufwand bei der Entwicklung einer universellen Kommunikationsschnittstelle um bis zu 70 Prozent. Anybus-Module gibt es in den drei Formfaktoren Modul, Brick und Chip. Gerätehersteller kommen am schnellsten mit dem einbaufertigen, in sich gekapselten Kommunikationsmodul zum Ziel. Beim Modul ist die komplette Hard- und Software der Kommunikationsschnittstelle einschließlich Netzwerkstecker in ein Kunststoffgehäuse integriert.

Die Bricks lassen dem Entwickler mehr Freiheitsgrade bei der Auswahl der Steckverbinder und der Positionierung der Kommunikationsschnittstelle. Hersteller, die ihre Geräte in sehr hohen Stückzahlen fertigen, können die Anybus-Technologie als Chip nebst Softwarestacks lizenzieren und so die Anybus-Kerntechnologie nahtlos in ihre Geräteelektronik integrieren. Die HMS Solution Center verwirklichen auch individuelle Ausführungen nach Kundenanforderung und die Experten aus dem Bereich Technical Services unterstützen die Hersteller auf Anfrage bei der Implementierung der Anybus-Technologie. aru