So revolutioniert TSN die industrielle Automatisierung

Hersteller mussten in der Vergangenheit für bestimmte industrielle Steuerungsanwendungen häufig speziell entwickelte Protokolle und Systeme anstelle von Standard-Ethernet-Technologien einsetzen. Mit dem Aufkommen des Time-Sensitive Networking (TSN) können Standard-Ethernet-Netzwerke nun deterministische Dienste bereitstellen und die Inseln der Automatisierung integrieren, die durch die zahlreichen speziell entwickelten Protokolle der Vergangenheit isoliert wurden…

Das traditionelle Purdue-Modell, wie es in der Automatisierungspyramide dargestellt ist, beschreibt verschiedene Ebenen der Netzwerkkommunikation, die fragmentarisch, möglicherweise unzuverlässig und insbesondere auf lange Sicht schwierig zu warten sind. Innerhalb der Branche wurde der Schritt in Richtung einer autonomen Pyramide gefordert, die in der Lage ist, in Echtzeit auf Markt- und Geschäftsbedingungen zu reagieren. In dieser neu konzipierten Architektur können isolierte Automatisierungsinseln und Netzwerkdatenflüsse über eine gemeinsame Semantik und eine einheitliche Infrastruktur miteinander kommunizieren.

Diese neue autonome Pyramide sieht die Zukunft der industriellen Automatisierung als nahtlos verbundenes System vor. Dieses hat folgende Merkmale:

• Kleine, statische und isolierte Regelkreise entwickeln sich zu größeren, dynamischen und offenen Regelkreiskommunikationen, die auch als Cyber-Physical Systems (CPS) bezeichnet werden und Software und physische Komponenten eng miteinander verknüpfen.
  
  
• Früher geschlossene Datenkreisläufe können offen über eine gemeinsame Basis hinweg kommunizieren und so neue bilaterale Datenkommunikationsflüsse ermöglichen, die intelligent miteinander interagieren können.
  
  
• Alle Unternehmensressourcen, von Geräten über Materialien bis hin zu Personal, sind intelligent in einer einheitlichen Infrastruktur verbunden, die die Erfüllung unterschiedlicher Kundenanforderungen durch durchgängige autonome Kommunikation, Zusammenarbeit, Reaktion, Anpassung und Optimierung ermöglicht – alles zu den richtigen Zeiten.

Durch das Verwenden einer einheitlichen Netzwerkinfrastruktur für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen – einschließlich Automatisierung, Wartung, Analyse und mehr – können Hersteller die folgenden Vorteile erzielen.

Erstens: Da verschiedene Endgeräte in der Lage sind, in Echtzeit miteinander zu kommunizieren, wird die Konfiguration des Systems, der Geräte und Anwendungen für eine Echtzeit-Rückkopplungsschleife erheblich vereinfacht. Eine einheitliche, kontextgesteuerte Netzwerkstruktur ermöglicht auch maschinelles Lernen. Auf lange Sicht ist es daher möglich, die Big-Data-Analyse zu nutzen und entsprechend zu reagieren, wodurch die Flexibilität und Effizienz der Auftragsfertigung weiter erhöht wird.

Zweitens: Durch den verbesserten Zugriff auf Daten kann die Produktionsüberwachung in Echtzeit durchgeführt werden, sodass unter verschiedenen Szenarien qualitativ hochwertigere, detailliertere KPIs erstellt werden können.

Drittens: Eine robustere Netzwerkinfrastruktur kann mehr Anwendungen für Geräte in der Werkstatt unterstützen, zum Beispiel Zählen, Sortieren, Qualitätskontrolle und Videoüberwachung. Maschinen arbeiten nicht mehr isoliert, sondern arbeiten dank aller in das System eingespeisten Echtzeitdaten mit anderen Maschinen zusammen, um die Produktivität zu verbessern. In Kombination mit der Entwicklung von Technologien in den Bereichen Robotik und Maschinensensorik wie Bewegungsführung, Augmented Reality, Bildverarbeitung und Haptik können Produktionsanlagen eine optimierte Leistung zu geringeren Kosten liefern.

Viertens: Standardisierte Technologien und eine skalierbare Struktur, wie sie auf Ethernet-Standards basieren, bieten eine viel größere Flexibilität. Durch die Standardisierung von Infrastrukturtechnologien und -protokollen können topologische Unterschiede, die früher erhebliche Herausforderungen für die Netzwerkkonfiguration darstellten, auf ähnliche Weise wie andere modulare Einheiten oder Erweiterungen verwaltet werden. Das Erstellen, Verwalten und Entfernen von Ebenen (Layern) ist kostengünstiger und zeitsparender.

In der Tat wird eine einheitliche Infrastruktur, welche die Grenzen zwischen den Automatisierungsinseln des heutigen Purdue-Modells auflöst, ein System aus verbundenen, physischen Industrieobjekten schaffen und es ihnen ermöglichen, Daten auszutauschen und zu analysieren, um Mehrwertinformationen zu generieren. Das industrielle Internet der Dinge ermöglicht es dabei, die richtigen Entscheidungen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zu treffen und so früher vordefinierte Prozesse in wirklich dynamische Prozesse umzuwandeln.

Im Gegensatz zu Best-Effort-Netzwerken unterstützen deterministische Netzwerke die folgenden Dienste: Zeitsynchronisierung, Ressourcenreservierung, extrem geringer Paketverlust, garantierte durchgängige (End-to-End-) Latenz und Bandbreite. Aufgrund des wachsenden Trends zu konvergierten Netzwerken und der damit einhergehenden steigenden Nachfrage nach Bandbreite könnten wirklich deterministische Ethernet-Netzwerke kostengünstiger und zukunftssicherer sein als zweckgebundene Netzwerke.

TSN-Technologien bieten einen skalierbaren, vorhersagbaren Ansatz für die deterministische Vernetzung über Standard-Ethernet. Da TSN jedoch eher eine Toolbox als eine einzige umfassende Lösung ist, müssen sich Systemintegratoren letztendlich auf unabhängige Anbieter und mehrere Protokolle verlassen, um die spezifischen Anforderungen für jede industrielle Anwendung zu erfüllen. Genau aus diesem Grund ist die Interoperabilität der Schlüssel für den Erfolg der Einführung von TSN. Letztendlich erfordert eine auf TSN basierende einheitliche Infrastruktur Interoperabilität an zwei kritischen Fronten.

Erstens: Eine allgemeine Architektur, die TSN-kompatibel für Layer 2-Netzwerke und Messaging ist

Zweitens: Gemeinsame Semantik für die Kommunikation über mehrere Protokolle im gesamten Netzwerk.

In Zusammenarbeit mit anderen führenden Ethernet-Switch-Anbietern leistet Moxa einen direkten Beitrag zur Entwicklung von Layer-2-Technologien, indem in seinen Produkten deterministische Ethernet-Kommunikation für zukunftsfähige Lösungen implementiert wird, die den IEEE 802.1 TSN-Standards entsprechen. Mit TSN-fähigen Ethernet-Switches von Herstellern wie Moxa können Systemintegratoren die Echtzeitanforderungen von Industrie 4.0 mit hoher Bandbreite erfüllen, ohne dabei vorhandene Anwendungsprogramme zu ändern. Darüber hinaus können sie all dies tun sowie konvergierten Netzwerken sogar Plug-and-Produce-Geräte hinzufügen, indem sie einfach Standard-IEEE-Ethernet-Switches verwenden.