Kabelgebundene Industriekommunikation Viel Neues in Sachen Draht

Volker E. Goller, Analog Devices: »Profinet auf Basis von TSN bringt viele Vorteile.«

Zwar steht Industrial 5G in den Startlöchern, doch es tut sich auch bei der drahtgebundenen Kommunikation in der Industrie Einiges: OPC UA wird »safe«, Profinet wird auf TSN aufgesetzt, und für die Prozessautomatisierung gibt es bald einen neuen Ethernet-Standard.

Volker E. Goller, System Applications Engineer bei Analog Devices, gibt Auskunft.

Markt&Technik: Über welche Übertragungswege bzw. -netze lassen sich OPC-UA-Safety-Daten übertragen?

Volker E. Goller: OPC UA Safety lässt sich mit praktisch jedem OPC-Unterbau nutzen. OPC Safety beruht auf den Konzepten von Profisafe und nutzt das „Black Channel“-Konzept. Das bedeutet, dass die Safety-relevanten Eigenschaften in einem eigenen Safety-Layer implementiert werden und die eigentlichen Safety-Nachrichten mit den vorhandenen Mitteln übertragen werden. Damit ist das Safety-Protokoll vom Unterbau und vom speziellen Übertragungsmechanismus unabhängig.

Inwieweit lassen sich im Zuge von OPC UA over TSN auch OPC-UA-Safety-Daten über TSN übertragen? Ist die sichere OPC-UA-Datenübertragung nur im OPC-UA-Client/Server- oder auch im neuen OPC-UA-Pub/Sub-Modus möglich?

Wie gesagt, Safety nutzt das Black-Channel-Konzept. Ob die OPC-UA-Safety-Daten über TSN übertragen werden oder über Standard-Ethernet, ist nicht relevant. Allein durch seine garantierte Latenz und die höhere Robustheit bringt ein TSN-Netz mehr Zuverlässigkeit mit.

Gibt es eigentlich auch „TSN Safety“ oder ist ein solcher Standard in Planung?

Ein spezieller TSN-Safety-Standard hat keinen Sinn; Safety wird immer im Rahmen der höheren Protokolle spezifiziert werden. TSN ist aber eine Technologie des Layer2.

Profinet IRT beherrscht Echtzeit-Datenkommunikation bis hin zu Zykluszeiten von 31,25µs. Inwieweit ist es angesichts dessen überhaupt sinnvoll, Profinet im Zuge von Profinet over TSN auf TSN aufzusetzen?

Profinet auf Basis von TSN bringt viele Vorteile. Die wichtigsten sind folgende: TSN unterliegt keiner Beschränkung auf 100Mbit/s, sondern ist für alle Geschwindigkeiten spezifiziert. Dies ermöglicht den Einsatz von Gigabit-Ethernet. Weil der Bedarf an Bandbreite für ergänzende Applikationen über Ethernet – MQTT, OPC, Vision, QM – stetig wächst, wird Gigabit in der Fabrikautomatisierung absolut notwendig. Zudem werden keine speziellen Profinet-ASICs mehr erforderlich sein. Ein guter TSN-Switch funktioniert für Profinet wie auch für andere Protokolle, sofern sie auf TSN aufsetzen, nach dem in der IEEE/IEC 60802 festgelegten Profil für die Nutzung von TSN in der Automatisierungsindustrie.

Welche Aufgaben kann in solchen TSN-Netzen Profinet übernehmen, welche OPC UA? Inwieweit sind diese Aufgaben komplementär zueinander?

Hier gibt es noch verschiedene Ansätze. OPC UA wird derzeit hauptsächlich als ergänzendes Protokoll für nicht echtzeitrelevante Aufgaben eingesetzt. Ich spreche von Asset Management, Condition-Based Monitoring oder Qualitätskontrolle. Die OPC-UA-FLC-Gruppe (Field Level Communication) sieht das auf Dauer sicherlich anders. In dieser Gruppe wird ein Standard erarbeitet, der OPC auch für Echtzeitanwendungen ermöglicht. Zuerst dürfte der Standard bei herstellerübergreifender Controller-zu-Controller-Kommunikation eingesetzt werden. Soweit ist OPC vollständig komplementär zu Profinet.

Inwieweit ermöglicht Profinet over TSN eine Gigabit-Übertragung von Profinet-Daten in TSN-Netzen?

Profinet 2.4 Class D nutzt TSN und ist damit nicht mehr von einer festen Geschwindigkeitsvorgabe abhängig. Gigabit ist ein erklärtes Ziel. Damit ist nach dieser Spezifikation auch Profinet auf einem 10-Gbit/s-Backbone abgedeckt.
Wie weit ist der Standard-Ethernet-APL für die Prozessautomatisierung gediehen?
Der Basis-Standard 802.3cg oder 10BASE-T1L wurde verabschiedet, PHYs sind in der Entwicklung. Die ergänzenden Spezifikationen der Prozessindustrie, die den Einsatz von 10BASE-T1L in der Prozessindustrie detailliert spezifizieren und unter „APL“ zusammengefasst werden, sind weit gediehen.
Auf der Messe SPS 2019 hat Analog Devices bereits funktionsfähige Prototypen gezeigt. Bis zu 1000m Leitungslänge, 10Mbit/s, Power over Ethernet und Profile für die Nutzung in explosionsgeschützten Bereichen – all das kann 10BASE-T1L/APL. Erste Produkte der Prozessindustrie werden zur Messe Achema 2021 erwartet.

Worin unterscheidet sich Ethernet-APL beispielsweise von in der Prozessautomatisierung eingesetztem Profibus?

Profibus wird derzeit erfolgreich in der Prozessindustrie eingesetzt. Als reiner Feldbus mit einer Geschwindigkeit von nur etwa 31kbit/s ist er aber nicht mehr den modernen Anforderungen – Stichwort Industrie4.0 – gewachsen. Außerdem eignet sich die Bus-Struktur nicht, um 4–20mA zu ersetzen. Das ist mit dem neuen Ethernet-Standard anders, er ist gerade auch mit Blick auf den Ersatz von 4–20-mA-Schnittstellen entwickelt und bringt alles mit, was dazu nötig ist.
10BASE-T1L, und damit APL, ist ein neuer Physical Layer für Ethernet. Die Schichten über dem Layer1 (Physical Layer) bleiben unberührt. Sowohl das Ethernet-basierte Profinet als auch EtherNet/IP funktionieren also vom ersten Tag an unverändert über 10BASE-T1L.

An dieser Stelle ist die enge Zusammenarbeit der PI (Profinet) und der ODVA (EtherNet/IP) beim Thema APL zu erwähnen. Experten beider Organisationen arbeiten gemeinsam an diesem Zukunftsthema. Das kann man sicherlich als beispielhaft ansehen.