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Industrial Ethernet heute und morgen

TSN – der aktuelle Stand und die Herausforderungen

31. März 2021, 09:24 Uhr   |  Andreas Knoll

TSN – der aktuelle Stand und die Herausforderungen
© Uni Stuttgart

Florian Frick von der Uni Stuttgart

Time-Sensitive Networking (TSN) soll industrielle IT- und OT-Netze nahtlos miteinander verknüpfen. Doch auf dem Weg dorthin warten noch einige Herausforderungen. Welche das sind, erläutert Florian Frick von der Universität Stuttgart.

Herr Frick, wie ist der aktuelle Stand der Normierung von TSN?

Mit TSN leben wir gerade in einer spannenden Zeit. TSN hatte bereits in den vergangenen Jahren einen großen Einfluss auf verschiedene Branchen von der industriellen Kommunikation über Automotive bis hin zur IT. Es zeigt sich also, dass TSN über Branchengrenzen hinweg wirkt. Dies erfordert anders als bei Standards in der Vergangenheit, die lediglich auf eine Branche ausgerichtet waren, ein branchenübergreifendes Denken und viel Arbeit an verschiedenen Fronten: Sowohl an den TSN-Standards selbst als auch an den Standards, die nötig sind, um ein funktionierendes Ecosystem auf TSN-Basis zu schaffen, weil TSN ja bekanntermaßen nur die unteren Ebenen des OSI-Schichtenmodells der Kommunikation abdeckt. Die zusätzlichen Standards sind, um entsprechend vorwärtszukommen und marktfähige Produkte zu erhalten, genauso bedeutsam wie die eigentlichen TSN-Standards. Dementsprechend ist es auch wichtig, zu beachten, wie weit diese Standards gediehen sind.

Welche Herausforderungen bestehen bei der Normierung von TSN momentan noch?

Wenn wir TSN als solches betrachten, sehen wir, dass die Erarbeitung der Grundstandards schon sehr weit fortgeschritten ist. An den Grundstandards hat sich in den letzten Jahren kaum noch etwas geändert; das letzte größere Ereignis war die Veröffentlichung des Zeitsynchronisationsstandards IEEE 802.1AS-2020, der nach vielen Jahren im letzten Sommer endlich finalisiert wurde. Aktuell wird noch an vielen Details und besonders hinsichtlich der Konfiguration gearbeitet, denn am Ende wird die große Frage sein: Wie können wir all die Tools, die uns TSN zur Verfügung stellt, sinnvoll nutzen? Hierzu werden derzeit noch einige Standards erarbeitet.
Deutlich mehr tut sich bei den Standards, die TSN nutzen möchten – am bekanntesten in der Industrie ist hier sicherlich die FLC Initiative (Field Level Communication) der OPC Foundation. Sie will auf Basis von OPC UA in Verbindung mit TSN einen Ansatz für die Kommunikation auf der Feldebene etablieren. Ähnliche Aktivitäten zur Standardisierung sehen wir aber auch in anderen Branchen, etwa Audio/Video oder Automotive.

In den Organisationen, die sich um TSN kümmern, ist die Standardisierung also schon ziemlich weit gediehen, und die OPC Foundation ist ebenfalls recht aktiv. Wie haben aber die Industrial-Ethernet-Nutzerorganisationen das Verhältnis ihres jeweiligen Industrial-Ethernet-Standards zu TSN und das jeweilige Zusammenwirken der beiden Standards bisher geregelt?

Über die letzten Jahre ließ sich eine interessante Entwicklung beobachten: Sahen die meisten Nutzerorganisationen TSN anfangs noch als irrelevantes Strohfeuer, hat sich das schnell dahingehend gewandelt, dass praktisch jede Organisation TSN auf die eine oder andere Weise adaptieren und nutzen will. Die Ansätze, wie TSN genutzt werden soll, unterscheiden sich jedoch grundlegend. Sichtbar sind mindestens drei Grundströmungen.

Welche sind das?

Wenn wir die klassischen Industrial-Ethernet-Nutzerorganisationen betrachten, gibt es diejenigen, die ihr bestehendes Ecosystem um TSN für die nicht ganz so anspruchsvollen Kommunikationsbeziehungen ergänzen wollen, also TSN beispielsweise für die Steuerung-zu-Steuerung-Kommunikation und Ähnliches nutzen möchten. Ein typischer Vertreter wäre hier beispielsweise die EtherCAT Technology Group (ETG). Die ETG sieht nach wie vor EtherCAT auf der Feldebene, möchte aber das Ecosystem so erweitern, dass zwischen der Steuerung und dem ersten Teilnehmer des EtherCAT-Netzwerks eine TSN-Strecke liegen kann.

Dann gibt es eine Gruppe verschiedener Industrial-Ethernet-Nutzerorganisationen, die TSN nutzen wollen, dabei aber die Auswahl und Nutzung der TSN-Funktionen genau vorgeben. Hierzu gehören beispielsweise die Profibus-Nutzerorganisation (PNO/PI) mit Profinet und die CC-Link Partner Association (CLPA) mit CC-Link IE. Beide nutzen TSN auf ihre spezifische Weise und schreiben dabei weitestgehend vor, welche Features wie genutzt werden sollen. Daraus ergibt sich die Situation, dass wir viele Netze auf TSN-Basis bekommen, diese aber nicht mehr unbedingt interoperabel sind, weil verschiedene Festlegungen getroffen worden sind.

Zitatl von Florian Frick
© Elektronik | WEKA Fachmedien

Zitat von Florian Frick

Schließlich gibt es die dritte Fraktion, die versucht, TSN in der vollen Breite der Standards und nicht exklusiv zu nutzen. Ihr eindeutigster Vertreter ist wahrscheinlich die FLC Initiative der OPC Foundation. Sie versucht nicht, eine ausgewählte Kombination von TSN-Standards festzulegen, sondern sieht ein TSN-Netzwerk vielmehr als eine Ressource, an die sie bestimmte Aufgaben übertragen kann, beispielsweise einen echtzeitfähigen Kommunikationskanal von einer Steuerung zu einem Feldgerät bereitzustellen. So verwirklicht sie die Grundvoraussetzung für große, konvergente Netze mit verschiedenen Applikationen.

Welche Vorteile hat TSN überhaupt gegenüber den etablierten Industrial- Ethernet-Standards im Blick auf die IIoT-Kommunikation?

Es gibt viele große und kleine Vorteile. Sicherlich ist es grundsätzlich ein Vorteil, wenn alles auf einem Standard beruht. Man hat weniger unterschiedliche Hardware und weniger Interoperabilitätsprobleme. Aber nur um auf einem gemeinsamen Layer 2 zu sein, wäre aus meiner Sicht kein Grund dafür, alles, was man jetzt hat, aufzugeben.

Der eigentliche Grund, warum TSN eine so große Bedeutung hat, ist meines Erachtens nicht, das zu ersetzen, was wir für die Echtzeitkommunikation schon haben, sondern dass wir mit TSN die Konvergenz zwischen IT- und OT-Systemen herstellen können. Das heißt, dass wir eine Technologie bekommen, die auf der OT-Seite letztlich das bietet, was wir heute haben, aber gleichzeitig eine durchgehende Connectivity erlaubt - bis in die IT-Systeme, ans Edge, in die Cloud oder wohin auch immer uns die Zukunft führen mag. TSN ermöglicht also etwas, das absolute Voraussetzung für viele Industrie-4.0-Visionen ist und meines Erachtens bisher häufig ignoriert wurde. Es wurden schon viele schöne Visionen und Ideen propagiert, die wir in der Realität nicht zu sehen bekommen. Warum? Weil schlicht und einfach die Basistechnologien gefehlt haben. Eine dieser Basistechnologien ist die Connectivity, und TSN ist sicherlich derzeit eine vielversprechende – wenn nicht die vielversprechendste – Lösung, um eben diese Connectivity zu erreichen.

Was die Connectivity angeht, wird OPC UA over TSN vielfach als der künftige Datenkommunikations- standard im IIoT schlechthin betrachtet. Wie ist hier der momentane Stand der Normierung und Markteinführung, bzw.welche Alternativen gäbe es?

OPC UA wird derzeit als der Trend schlechthin angesehen, dabei vereint dieser Trend aber sehr verschiedene Aspekte. Denn je nachdem, wen man fragt und wer in der OPC Foundation an welchem Thema arbeitet, sind die Ziele sehr verschieden. Es gibt diejenigen, die OPC UA in erster Linie dazu nutzen wollen, bestehende Lösungen um das zu ergänzen, was bisher gefehlt hat, also beispielsweise die Connectivity Steuerung-zu-Steuerung und Steuerung-zu-Cloud, und dabei eher auf die Datenübertragung in Nicht-Echtzeit oder in „weicher“ Echtzeit setzen. Auf der anderen Seite müssen wir die FLC Initiative der OPC Foundation betrachten, wo es explizit darum geht, die OPC-UA-Kommunikation auf der Feldebene zu etablieren, um dort genau das zu ersetzen, was wir heutzutage in Form von Feldbussen und Industrial-Ethernet-Systemen haben. Das sind zwei sehr grundlegende Herangehensweisen, die in verschiedenen Konstellationen vertreten sind.

Was wir aber meines Erachtens als sicher annehmen können, ist, dass OPC UA definitiv zunehmend Verbreitung finden wird, und zwar besonders für die Connectivity zu Services im IT-Bereich, die dann direkt mit der Produktionstechnik gekoppelt werden. Inwieweit und wie schnell sich aber die Connectivity mittels OPC UA bis hin zu jedem einzelnen Feldgerät etablieren wird, hängt von vielen Faktoren ab und wird sich im Laufe der nächsten Jahre zeigen.

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1. TSN – der aktuelle Stand und die Herausforderungen
2. Inwieweit lässt sich TSN mit industriellen Wireless-Standards koppeln?

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