Was ist TSN, und warum ist es wichtig?

Dank Industry 4.0 (auch als „Smart Factory“ bezeichnet) hat die digitale Technologie in den letzten Jahrzehnten an entscheidender Bedeutung für die Fertigungsindustrie gewonnen. Diese Entwicklung bietet eine verbesserte Transparenz und Vernetzung zwischen den Sensoren in der Fabrik und dem Fabrik-Backbone, sodass die Daten mit hoher Geschwindigkeit dorthin übertragen werden, wo sie für wichtige Dienste wie Datenanalysen benötigt werden. 

Bei dieser Art hochautomatisierter Systeme ist die Echtzeitkommunikation unerlässlich und manchmal sogar lebenswichtig. Stellen Sie sich einen selbstfahrenden Wagen vor, der angesichts eines Fußgängers vor sich nicht mit Bremsen reagiert, oder Roboter an einem Fließband, die verzögerte Anweisungen von dem Computer erhalten, der ihre Bewegungen synchronisiert.

Um die rechtzeitige Kommunikation zu gewährleisten, werden mehrere Echtzeit-Kommunikationstechnologien eingesetzt, darunter EtherCAT, PROFINET IRT und Sercos III. An diesen können jedoch auch Kompatibilitätsprobleme auftreten, und sie ermöglichen (falls überhaupt) nur eingeschränkt die direkte Nutzung laufender und künftiger Verbesserungen der grundlegenden IEEE 802 Ethernet-Technologie, wie z. B. höherer Bandbreite. 

Drei wesentliche Vorteile des Time Sensitive Networking

Zuverlässige Kommunikation in Echtzeit und rückkopplungsfreie Übertragung von kritischem und nicht kritischem Datenverkehr im selben Netzwerk.
Hohe Bandbreite für die große Menge an Sensor- und Hintergrunddaten, die über Automatisierungsnetzwerke übertragen werden und die sich mit der Weiterentwicklung von Ethernet skaliert Abwärtskompatibilität mit Standard-Ethernet-Geräten.

Was ist TSN?

TSN ermöglicht Netzwerken, den Hintergrund-Datenverkehr mit niedrigerer Priorität so zu übertragen, dass der zeitkritische Datenverkehr nicht davon beeinträchtigt wird. 

Ein Beispiel für zeitkritischen Verkehr wird bei Regelkreisen verwendet: Sensoren reagieren auf Grundlage der von den SPS empfangenen Steuerdaten und geben anschließend ihre Rückkopplung an die SPS zurück, um den Kreis zu schließen. Gleichzeitig werden sensorgenerierte Daten auf Feldebene, die nicht zeitkritisch sind, auf derselben Netzwerkinfrastruktur übertragen und in der lokalen Automatisierungs-Cloud gesammelt, wo sie Big-Data-Analysen unterzogen werden. 

Dieser Prozess sorgt für die Umsetzung der Vision Sensor to the Cloud. Automatisierungsnetzwerke beginnen an einem Sensor direkt am Hauptfertigungsprozess und enden (in ihrer komplexesten Variante) innerhalb eines Cloud-Infrastrukturdienstes am Fabrik-Backbone oder sogar in einer Remote-Cloud zur globalen Optimierung oder Analyse. Nachrichten in diesen Netzwerken sind unterschiedlich wichtig: Sie reichen von geschäftskritischen über weniger kritische Daten bis hin zu reinem Hintergrundverkehr. Der geschäftskritische Steuerungsverkehr wird zur Steuerung des Fertigungsprozesses verwendet und stellt häufig hohe Anforderungen an Lieferzeitnähe und Robustheit. Weniger dringende Sensordaten werden zur Analyse und Optimierung der Prozesse verwendet und sind in der Regel nicht mit Zeitvorgaben oder Liefergarantieanforderungen verbunden.

Mithilfe von TSN werden alle Daten über die gleiche Schnellstraße übertragen, wobei dringende Daten den Status hoher Priorität erhalten. Das kann man sich wie eine Rettungsgasse auf der Autobahn vorstellen, nur dass TSN keine eindeutigen Fahrspuren reserviert, da dies ineffizient wäre, wenn kein kritischer Datenverkehr vorhanden ist. TSN leitet den Datenverkehr so, dass er die verfügbare Bandbreite maximal nutzt, und kontrolliert den Zugriff auf das Netzwerkmedium streng.

Vier Standard-Netzwerkoptionen:

Beim Aufbau eines Netzwerks zur Übertragung von dringendem und nicht dringendem Datenverkehr stehen Ihnen vier Optionen zur Verfügung:

1. Verwenden Sie TSN, um den Netzzugang von dringendem und nicht dringendem Datenverkehr streng zu kontrollierenden.
2. Erstellen Sie völlig separate Netzwerke für dringenden und nicht dringenden Datenverkehr – eine kostspielige Option.
3. Legen Sie eine überdimensionale Bandbreite der Netzwerkinfrastruktur an, ein häufig verwendeter, aber ausgesprochen teurer Ansatz, der als Bandbreitenüberdimensionierung bezeichnet wird. Darüber hinaus ermöglicht Ihnen das zwar eine statistische Lösung, sie ist jedoch nicht zu 100 % deterministisch.
4. Akzeptieren Sie mögliche Verzögerungen dringender geschäftskritischer Daten. Dies stellt in der Regel keine praktikable Option dar.

Bei diesen Optionen fällt die Wahl klar auf die erste Möglichkeit: TSN verwenden. 

Bei TSN handelt es sich nicht nur um die funktional beste Option, sondern auch um die kostengünstigste, da nur ein einziges Netzwerk benötigt wird.

Aufgrund der Fähigkeit, den Datenverkehr in Automatisierungsnetzwerken zu trennen, ermöglicht TSN die Konvergenz zahlreicher kleiner, getrennter Netzwerke zu einer einheitlichen Netzwerkstruktur. Dieses neue Netzwerk kann die Anforderungen für Echtzeitkommunikation in größerem Umfang erfüllen und bietet gleichzeitig die Vorteile der Netzwerkkonvergenz: Bestands- und Datentransparenz. Dies gilt für viele verschiedene Branchen der Automatisierungsnetzwerke:

Fabrikautomatisierung

In der Fabrikautomatisierung ermöglicht die Netzwerkkonvergenz eine verteilte Echtzeitsteuerung. So können große Maschinen und zahlreiche Roboter präziser und flexibler miteinander interagieren als bisher möglich. Unternehmen können damit Anwendungen wie vorausschauende Wartung ermöglichen, die die Analyse großer Sensordatenmengen erfordern. Ein konvergiertes Netzwerk von der Cloud zum Sensor ermöglicht außerdem einen sicheren Fernzugriff über das Internet auf die Produktionsmaschinen, um Wartungsarbeiten und andere Aufgaben aus der Ferne zu steuern. 

Energieautomatisierung

In der Energieautomatisierung – beispielsweise in elektrischen Umspannwerken – kann TSN verwendet werden, um unternehmenskritische Daten, wie z. B. gemessene Spannungs- und Stromwerte, über das Netzwerk zu den elektrischen Schutzeinrichtungen zu übertragen. TSN kann auch zur Verbesserung der Leistung wichtiger Benachrichtigungen über Ereignisse (Generic Object-Oriented Substation Events: GOOSE) beitragen, wenn das GOOSE-Protokoll die gleiche Netzwerkinfrastruktur verwendet, die beispielsweise für Sensordaten oder Netzwerküberwachung über ein SCADA-System verwendet wird. 

Transportanwendungen

Im Transportwesen, beispielsweise in Bahnnetzen, können Komfortanwendungen wie das Unterhaltungsprogramm für Fahrgäste ein Netzwerk mit anderen Anwendungen wie Fahrgastinformations- oder Steuerungsfunktionen teilen, die nicht sicherheitsrelevant sind. Die Sicherheitsfunktionen können wiederum mit anderen weniger wichtigen Steuerungsfunktionen in dafür vorgesehenen Steuerungsnetzwerken kombiniert werden. 

Automobil-Bordnetze

TSN ermöglicht die Konvergenz und die Ablösung vieler verschiedener Kommunikationsbusse an Bord, sodass eine einheitliche Verbindungsschicht geformt wird. Aufgrund der Fähigkeit, Datenverkehr mit unterschiedlichen Prioritäten rückkopplungsfrei in einem einzigen Kabel zusammenzuführen, ist TSN als Backbone-Kommunikationstechnologie an Bord ideal geeignet. Autohersteller können TSN je nach Bauweise auf unterschiedliche Weise nutzen. Einige betrachten TSN nur als Verbindung der verschiedenen Anwendungsdomänen innerhalb des Fahrzeugs, wie Antrieb, Body Control und Fahrgastunterhaltungsfunktionen. In anderen Fällen wird TSN auch innerhalb der einzelnen Anwendungsdomänen eingesetzt und ersetzt das Bord-Busnetz insgesamt. 

Die wichtigste Erkenntnis ist, dass TSN die Übermittlung dringender und weniger dringender Daten in derselben Netzwerkinfrastruktur ermöglicht und gleichzeitig dafür sorgt, dass die Übermittlung dringender Daten nicht durch den weniger dringenden Datenverkehr behindert wird.