Time-sensitive Networking Erste Gehversuche mit TSN machen

Arno Stpck, Principal Engineer bei Renesas, führt einen TSN-Demonstrator auf der SPS IPC Drives 2016 vor.
Arno Stock, Principal Engineer bei Renesas, fuhrte auf der SPS IPC Drives 2016 einen TSN-Demonstrator vor.

Die Spezifikation für Time-sensitive Networking (TSN) ist noch nicht vollständig abgeschlossen, aber viel wird sich nicht mehr ändern. Deshalb hat Renesas bereits e­inen ersten Prototypen vorgestellt, mit dem die Gerätehersteller experimentieren können, bis das erste Silizium verfügbar ist.

Die Welt der Feldbusse ist durch Vielfalt geprägt und daran hat sich auch mit dem Einzug von Ethernet-Technik in die Feldebene nicht viel geändert. Fast jeder relevante Marktteilnehmer hat sein eigenes Echtzeit-Ethernet-Protokoll entwickelt. Wer z.B. Steuerungstechnik von Beckhoff einsetzt, muss diese mit EtherCAT vernetzen. Geräte von Siemens können im gleichen Netz nicht betrieben werden, denn Siemens setzt auf Profinet. B&R hat Ethernet Powerlink, bei Rockwell verwendet man Ethernet/IP usw. Zwar haben sich Sensor- und einige kleinere Steuerungshersteller den Systemen der Marktführer angeschlossen, sodass es zuweilen Alternativen bei der Geräteauswahl gibt, dennoch bietet sich das Bild einer Insellandschaft, die sich nur durch Gateways miteinander verbinden lässt. Auf der anderen Seite ist die Ethernet-Technik in der Automatisierung bei Neuinstallationen mittlerweile so etabliert, dass sich die Hersteller dadurch nicht mehr voneinander differenzieren.

Unternehmensübergreifende ­Vernetzung

TSN verspricht, die derzeitigen Grenzen der proprietären Implementierungen zu überwinden, indem es eine de facto einheitliche Netzwerk-Architektur bietet. Damit würden zwar nicht die verschiedenen Hersteller-Protokolle aus der Welt geschafft werden, aber sie könnten über eine gemeinsame Netzwerk-Infrastruktur genutzt werden, denn TSN standardisiert die Verbindungsebene (Bild 1) der Netzwerk-Kommunikation. Viel wichtiger ist aber noch, dass mit TSN eine einheitliche Vernetzung von Unternehmensrechnern und Fabrik möglich wird. Denn wenn mit Industrie 4.0 jeder physische Gegenstand in der Fertigung eine digitale Repräsentanz haben soll, dann muss die auch irgendwo gespeichert werden – und zwar nicht im oder am Gerät, sondern an einer zentralen Stelle, wo die Daten zusammengeführt werden können. Dort müssten alle Netzwerkkomponenten zusammenlaufen. Im Rahmen von TSN gibt es zehn verschiedene Sub-Standards, die unterschiedliche Methoden zur Behandlung und Priorisierung von Netzwerkverkehr beschreiben. Die wichtigsten sind die Zeitsynchronisation, d.h. die Synchronisierung der Uhren aller angeschlossenen Teilnehmer und das Prinzip der Frame-Unterbrechung. Auf der SPS IPC Drives konnte man am Stand von Renesas sehen, was diese Mechanismen bewirken. Um das Echtzeitverhalten zu zeigen, war ein Demonstrator aufgebaut, der u.a. aus einer rotierenden Scheibe, einem Positionssensor und einem Stroboskopblitz bestand. Positionssensor und Stroboskop waren über Ethernet verbunden und wurden so gesteuert, dass die Beschriftung auf der Scheibe, die mit mehreren tausend Umdrehungen rotierte, scheinbar stehenblieb. Am Prototyping-System konnte man verschiedene Arbeitsmodi der Ethernet-Verbindung einstellen und beobachten, wie sich das auf das Verhalten des Stroboskops auswirkt.