Industrial Internet of Things Wie Protokolle für Industrie 4.0 in Echtzeit kooperieren

Für eine smarte Fabrik braucht es eine leistungsfähige interoperable Kommunikation.

EBV Elektronik, NXP und das Fraunhofer IOSB-INA arbeiten an einem TSN-Demonstrator. Der Versuchsaufbau soll zeigen, wie industrielle Echtzeit-Ethernet-Protokolle miteinander kooperieren.

EBV Elektronik, ein Tochterunternehmen von Avnet, kooperiert mit NXP und dem Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil industrielle Automation (Fraunhofer IOSB-INA). Entstanden sind daraus Time-Sensitive-Networking-(TSN)-Anwendungen, die mehrere industrielle Echtzeit-Ethernet-Protokolle unterstützen. Ein Prototyp soll die kontinuierliche, leistungsfähige und flexible Kommunikation von der Feldebene bis zum Internet präsentieren.

Für den Handelspartner EBV steht dabei der Kundennutzen im Zentrum: »Unser Ziel ist es, unseren Kunden die Technik näherzubringen. Versuchsmodelle, wie sie mit NXP und Fraunhofer IOB-INA entwickelt wurden, schaffen wichtige Entscheidungshilfen«, kommentiert Karl Lehnhoff, Director Vertical Segment Industrial bei EBV Elektronik. Die Kooperation fokussiert sich auf industrielle Erstausrüster (OEM).

TSN mit neuen und existierenden Protokollen

Der aktuelle TSN-Demonstrator basiert auf dem Prozessor Layerscape LS1028A von NXP für industrielle Anwendungen, der in mehreren Referenzdesigns (LS1028ARDB) in den Prototypen eingesetzt wurde. Damit handelt es sich um einen mikroprozessgesteuerten Demonstrator, der ermöglichen soll, TSN ohne FPGA zu implementieren. Der LS1028A-Prozessor mit TSN-fähigem Ethernet-Switch biete für OEM die Möglichkeit, vier integrierte TSN-Ports mit Diensten wie Frame Preemption oder Cut-Through Switching zu nutzen, führt Sylvain Gardet, Direktor des Industrial Competency Center bei NXP aus.

Dabei wird die Kommunikationsklasse »isochrone zyklische Kommunikation mit begrenzter niedriger Latenz« auf Basis von »scheduled traffic« (maximale QoS – Quality of Service) getestet. Das Testnetzwerk besteht aus Komponenten verschiedener Hersteller (Multi-Vendor) und operiert mit Übertragungsraten von 100Mbit/s und 1 Gbit/s (mixed link speed). Die Installation zeigt, wie mehrere Protokolle (PROFINET und OPC UA) über ein TSN-Netzwerk übertragen werden können, ohne sich – auch nicht in der höchsten Klasse – gegenseitig zu beeinflussen. Die grundlegenden TSN-Mechanismen, die verwendet werden, sind Zeitsynchronisation, Frame Preemption und zeitbewusstes Traffic Shaping.

Anwendung für Industrie 4.0

Die dynamisch vernetzte Produktion, häufige Rekonfiguration von Maschinen und Systemen sowie der Einsatz von Cloud-Technik und datenbasierten Smart Services in Industrie-4.0-Umgebungen erfordern verschiedene Protokolle, die gleichzeitig verwendet werden können. »Interoperabilität ist für Kommunikationssysteme unerlässlich – mit zunehmender Vernetzung wächst ihre Bedeutung weiter massiv – deshalb testen wir Hard- und Software systematisch auf breite Interoperabilität«, sagt Carsten Pieper vom Fraunhofer IOSB-INA. »Die unternehmensübergreifende Zusammenarbeit ist eine wichtige Grundlage für die erfolgreiche Entwicklung und Markteinführung von industriellen Kommunikationssystemen«.

Unter dem Namen »Ethernet TSN« entwickelt auch der Berufsverband IEEE entsprechende Standards für die Ethernet-basierte Echtzeitkommunikation. Die Verwendung von Ethernet TSN für die industrielle Automatisierung wird in der Profilnorm IEC/IEEE 60802 TSN-IA definiert. »Ethernet TSN ist eine Schlüsseltechnik, die es industriellen Netzwerken ermöglicht, eine Mischung aus OT- (Anmerk. der Redaktion: Operational Technology) und IT-Verkehr zu unterstützen«, erklärt Christian Wiebus, NXP Senior Director fo New Business and Innovation. Pieper ergänzt: »Die Ergebnisse von Projekten sind für die Entwicklung guter Standards entscheidend.«