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Basistechnologie TSN Zukunft der Automatisierungsnetze

25.09.2018

Time-Sensitive Networking (TSN) ist auf dem besten Weg, sich als neue Basistechnologie für die industrielle Kommunikation zu etablieren. Die wichtigsten TSN-Protokollstandards sind verabschiedet und werden aktuell in ersten Testinstallationen erfolgreich erprobt.

Experten aus der Automatisierungs- und Kommunikationstechnik arbeiten in einer gemeinsamen Standardisierungsinitiative der IEEE und IEC an einem einheitlichen Anwendungsprofil für industrielle Netze auf Basis von TSN. Darüber hinaus definieren Nutzerorganisationen Integrations- und Migrationspfade für ihre existierenden Feldbus-Technologien, um auf diese Weise den Übergang zu TSN effizient und reibungslos zu gestalten.

Ursprünglicher Designgedanke

Die durch TSN erweiterte und somit grundlegende Ethernet-Technologie wurde ursprünglich als Plug-and-Play-System entworfen. Ziel war es, dass Ethernet in den meisten Anwendungsszenarien keiner Planung und Konfiguration bedarf. Industrielle Netze werden allerdings jeher anwendungsbezogen entworfen und konfiguriert. Als Beispiel seien hier der Einsatz von VLANs und die in der Automatisierung üblichen Redundanzprotokolle genannt. Die seit vielen Jahren in der Automatisierungstechnik eingesetzten Ethernet-Netzwerke unterscheiden sich daher signifikant vom ursprünglichen Ethernet-Designgedanken.

Das Gleiche trifft auch auf TSN zu: Ein Großteil der TSN-Mechanismen muss konfiguriert werden, damit eine bedarfsgerechte Leistungsfähigkeit des Netzwerks sichergestellt werden kann. Somit sind Netzwerke in der industriellen Automatisierungstechnik auf den Einsatz von TSN gut vorbereitet. Wo aber liegen die Grenzen der heute verwendeten Netzwerkplanungs- und Konfigurationsmethoden? Industrielle Anlagen – und damit auch die ihnen zugrundeliegenden Netze – befinden sich in einem langsamen, aber kontinuierlichen Wandel. Dieser Wandel besteht oftmals aus Anlagenerweiterungen, die die Größe des Netzwerkes und damit auch dessen Komplexität steigern. Zusätzlich bringen die Traffic-Shaping- und Scheduling-­Mechanismen von TSN eine neue Komplexitätsebene in die Netzwerkkonfiguration ein. Diese Faktoren erschweren die Beherrschbarkeit der Konfiguration durch den Menschen. Wie kann diese Komplexitätsgrenze also überwunden werden, um die Möglichkeiten größerer und komplexerer Netze und damit leistungsfähigerer Endanwendungen bestmöglich zu realisieren?

TSN-Konfiguration heute

Wie quasi jede technische Eigenschaft eines gemanagten Industrial-Ethernet-Switches können die TSN-Mechanismen einzeln auf jedem Gerät konfiguriert werden – etwa über das integrierte Web-Interface oder die Kommandozeilenschnittstelle. Moderne Softwarelösungen für das industrielle Netzwerkmanagement, wie beispielsweise Hirschmann Industrial Hivision, erlauben bereits heute eine vereinfachte Konfiguration, indem sie es ermöglichen, verschiedene TSN-Mechanismen manuell durch den Anwender auf mehreren TSN-Switchen gleichzeitig und somit zeitsparend zu konfigurieren. Dies ist allerdings nur der erste Schritt.

Maßgeblich für die Verwendung dieser Methoden ist immer noch der Mensch mit seinem Wissen über die Endanwendung und deren Anforderungen an das Netz, beispielsweise an Fehlertoleranz, Latenz oder Bandbreite. Sämtliche Konfigurationsparameter müssen durch den Menschen ermittelt und mit Werkzeugunterstützung auf die Netzwerkgeräte ausgebracht werden. Die Überlegungen, die zu diesen Konfigurationsparametern geführt haben, stehen den Werkzeugen oder dem Netzwerk nicht zur Verfügung. Diese sind lediglich Befehlsempfänger und können somit nur eingeschränkt assistieren.

Die Grenzen der manuellen Konfiguration

In Verbindung mit den Anforderungen, die moderne Industrie 4.0 und IIoT (Industrial Internet of Things) Anwendungen an Automatisierungsnetze stellen, werden schnell die Grenzen des manuellen Konfigurationsansatzes klar: Je dynamischer und komplexer ein Automatisierungsnetzwerk wird, desto schwieriger wird es für den Menschen, dieser Dynamik und Komplexität zu folgen. Es ist beispielsweise offensichtlich wenig sinnvoll, wenn ein menschlicher Anwender permanent Änderungen an einer Netzkonfiguration vornehmen muss, während der Einsatz unterschiedlicher Werkzeuge eines Roboters in der Fabrik beständige Änderungen an der Netzkonfiguration erforderlich machen.

Der tatsächliche Bedarf ist der Schlüssel

Bereits heute werden in verschiedenen TSN-Testbeds, zum Beispiel im Kontext des Industrial Internet Consortiums (IIC) oder des Lab Networks Industrie 4.0 (LNI), Methoden erprobt, die die Konfiguration von TSN-Geräten teilweise oder vollumfänglich zu automatisieren vermögen.

Diese Mechanismen basieren weitestgehend auf den drei durch die IEEE-Standardisierung vorgegebenen Konfigurationsmodellen: vollständig zentralisiert, vollständig dezentral oder einem hybriden Zwischenmodell. Unabhängig von dem verwendeten Konfigurationsmodell, wird so möglich, dass Endgeräte ihre jeweiligen Kommunikationsanforderungen an das Netzwerk senden. Diese Anforderungen können beispielsweise die angeforderte Bandbreite oder eine Obergrenze an die Ende-zu-Ende-Latenz umfassen.

Mit diesen Informationen kann das Netzwerk, entweder dezentral in den Switchen oder zentralisiert in einer so genannten Centralized Network Configuration (CNC), anhand definierter Designalgorithmen die Netzwerkgeräte konfigurieren und die Netzwerkinfrastruktur bedarfsgerecht für die Nutzung durch die Endgeräte vorbereiten. Durch die Automatisierung dieser Vorgänge ist ein solches System auch in der Lage, schnellen Veränderungen bei den Anforderungen und der Positionierung von Endgeräten zu folgen, ganz ähnlich zu den Regelschleifen der Anwendungen selbst.

Das Netzwerk auf Autopilot

Der Mensch nimmt in einem solchen Verbund aus Assistenzsystemen eine neue Rolle ein. Er überwacht seinerseits die Assistenzsysteme und löst Herausforderungen, die diese Systeme ohne menschliche Eingriffe nicht beherrschen können. Dazu zählen insbesondere Situationen, in denen nicht mehr jeder Bedarf und alle Anforderungen an das Netzwerk abgedeckt werden können. Die Automatisierungssysteme sind in der Lage, sehr schnell und effizient die vorhandenen Netzwerkressourcen dem Bedarf und den Endgeräten zuzuweisen – sie sind hier einem menschlichen Bediener in den meisten Fällen überlegen. Die vorausschauende, strategische Planung gesamter Netzkapazitäten, sowie die langfristige Auslegung und Erweiterung der Automatisierungsnetze wird allerdings weiterhin dem Menschen obliegen.

Bildergalerie

  • Bei der manuellen oder durch Werkzeuge unterstützen Konfiguration führt der Mensch alle Informationen zusammen.

    Bild: Hirschmann Automation and Control

  • Bei der Verwendung von Assistenzsystemen übernimmt der Mensch eine überwachende und strategisch planende Funktion – hier am Beispiel des zentralen Konfigurationsansatzes gezeigt.

    Bild: Hirschmann Automation and Control

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