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Mit Hilfe TSN-basierter Erweiterungslösungen soll es endlich möglich werden, die Komplexität der vernetzten Industrie zu zähmen.

Bild: iStock, Metamorworks

Standards für durchgängige industrielle Echtzeitkommunikation Mit TSN zur Smart Factory

30.08.2018

Aufwendige Schnittstellen zwischen IT und OT waren bislang für viele Unternehmen ein Hemmschuh auf dem Weg zur Smart Factory. Die Implementierung von Industrie-4.0-Technologien dürfte nun aber Fahrt aufnehmen – dank intelligenter Erweiterungslösungen für Industriecomputer, die auf dem neuen Time-Sensitive-Networking-Standard (TSN) basieren und die Komplexität der vernetzten Industrie beherrschbar machen.

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Für zeitkritische Steuerungen und Fertigungsprozesse ist eine zeitsynchronisierte, deterministische Kommunikation unabdingbar. Darum wurde der Standard IEEE 802.1 TSN entwickelt, der den bestehenden IEEE-Ethernet-Standard in Bezug auf deterministische Datentransfers erweitert. Mit dem neuen Time-Sensitive-Networking-Standard (TSN) lassen sich konvergente Ethernet-basierte Netzwerke realisieren, in denen Datenpakete nicht nur parallel zum IT-Datenverkehr versendet werden. Vielmehr sorgen die in den TSN-Standards gebündelten Spezifikationen wie Timing, Synchronisation, Time Aware Traffic Scheduling, Frame Preemption, Seamless Redundancy oder Network Configuration für eine garantierte Zustellung.

Auf der Transportebene ist der neue TSN-Standard von zentraler Bedeutung für das Verschmelzen industrieller Infrastrukturen. Dank seiner garantierten Latenz und Quality-of-Service mit Zeitsynchronisation ist TSN im industriellen Umfeld eine ideale Ergänzung zu proprietären Feldbussystemen. Mittelfristig hat TSN das Potenzial, diese zu ersetzen und nahtlos bis in die IT-Ebene zu kommunizieren. Die vom Gerät und Betriebssystem unabhängige Verbindung zwischen der Feld- und der IT-Ebene wird durch den Interoperabilitätsstandard „Open Platform Communication Unified Architecture“ (OPC UA) nach IEC 62541 sichergestellt. Dabei gewährleistet die neue Pub/Sub-Spezifikation von OPC UA die benötigte Sicherheit, Datenmodellierung, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit.

TSN vereinheitlicht IT und OT

Die Substandards, die im Zuge der IEEE-802.1-Standardisierung unter dem TSN-Label zusammengefasst wurden, sind als eine Art Baukasten zu verstehen, der Funktionen für verschiedene Anwendungsbereiche bereithält. Auf der Basis der verfügbaren Standards sind bereits komplette Branchenlösungen marktfähig implementierbar. Neben Industrial Automation gehören Audio, Video, Automotive und Medizintechnik zu den interessantesten TSN-Einsatzfeldern. Bei der Anwendung in Indus-
trienetzwerken stehen Controller-to-Controller- und Embedded-Cloud-Communication im Vordergrund. In Automotive-
Netzwerken kommt das Converged-Ethernet-Backbone mit seinen Echtzeitfähigkeiten vor allem beim autonomen Fahren und in Fahrerassistenzsystemen zum Tragen.

Neben der Verringerung der Komplexität industrieller Netzwerkinfrastrukturen sorgt TSN für beachtliche Kosteneinsparungen. Durch die Vereinheitlichung der IT- und OT-Netzwerke verringert sich die Anzahl der Gateway-Funktionen und das Netzwerkmanagement wächst zusammen. Zudem lassen sich in TSN-Komponenten Commodity-Chips verwenden, die kostengünstiger als Feldbus-Speziallösungen sind. In bestehenden Anlagen lohnt es sich jedoch nur bedingt, Feldbusse auf der unteren Feldebene durch TSN-Komponenten zu ersetzen. In diesem Fall ist es sinnvoller, auf der Controller-to-Controller- beziehungsweise Machine-to-Machine-Ebene und darüber zu beginnen. Dort kommen die Vorteile von TSN und OPC UA voll zum Tragen. Anders sieht die Sache bei neuen Industrie-4.0-Implementierungen aus: Hier kann sich TSN bereits in naher Zukunft auch auf den unteren Feldebenen als sinnvoll erweisen. Bei der Entwicklung von TSN-Netzwerken ist stets auf ein sauberes Funktionieren der Zeitsynchronisation zu achten, da diese Technologie allen TSN-Substandards zugrunde liegt.

TSN testen mit Starterkit

Um Unternehmen den Einstieg in TSN zu erleichtern, hat der Embedded-Hersteller Kontron alle erforderlichen Komponenten in einem Starterkit gebündelt. Das Kit umfasst einen beziehungsweise zwei wartungsfreie Industriecomputer (Embedded-Box-PC) vom Typ KBox C-102 mit integrierter TSN-Netzwerkkarte, Linux-Software und Kabel. Damit lassen sich eine nahtlose Verbindung zwischen Feldebene, OT und IT herstellen sowie erste Erfahrungen mit der Konfiguration beziehungsweise dem Betrieb von TSN-Netzen sammeln.

Mit Kontrons Standard-PCIe-Netzwerkkarte für TSN sowie den dazugehörigen Netzwerk- und Switch-Treibern für Linux lassen sich Industriecomputer mit einem redundanten Ring-, Linien-, Daisy-Chain- oder sternförmigen TSN-Netzwerk verbinden. Die TSN-Netzwerkkarte enthält einen integrierten Switch für redundante Netzwerke mit zwei oder vier externen GbE-Ports und eine PCIe-Anbindung an den Host-Computer. Zukünftige Erweiterungen der TSN-Spezifikation lassen sich durch Software-Updates im FPGA integrieren.

Minimale Latenzzeiten

Für die Clock-Synchronisation zwischen den Kontron-Netzwerkelementen sind Genauigkeiten von unter 100 ns erreichbar. Die Paket-Jitter-Werte liegen typischerweise unter 1 µs. Die paketlängenabhängigen Latenzzeiten bei den TSN-Switches bewegen sich um die 2,5 µs (64-Byte-Pakete). Mit diesen Eigenschaften sind viele Anwendungen auch auf der Feldebene gut abgedeckt. Für eine minimale Latenz werden die TSN-Switches bei Bedarf im sogenannten Cut-Through-Mode betrieben.

Mit der TSN-Netzwerkkarte können die KBox-PCs der C-Serie, die Server ZINC 19 2U/4U und ZINC CUBE C232 und die High-Performance-Workstation HPW 410 von Kontron problemlos erweitert werden. Grundsätzlich ist die Karte aber herstellerunabhängig einsetzbar. Sie wird mit Private-Labeling angeboten, so dass Firmen sie unter ihrem eigenen Markennamen in ihre Geräte einbauen können.

Bildergalerie

  • From Edge to Fog to Cloud: Mit Hilfe von TSN und konvergenten Ethernet-Netzwerken wachsen die verschiedenen Computing-Ebenen in der Industrie zusammen.

    Bild: Kontron

  • Das TSN-Starterkit von Kontron besteht aus zwei Industriecomputern KBox C-102 mit integrierter TSN-Netzwerkkarte und Software für Linux.

    Bild: Kontron

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