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Ganz klar: TSN –
der Turbo für PROFINET und OPC UA

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Time-Sensitive Networking – ganz klar: unser Bekenntnis für die Digitalisierung

Die Digitalisierung legt die Messlatte hoch für die industrielle Kommunikation. Siemens setzt hierfür bereits auf den sich rasant ausbreitenden offenen Kommunikationsstandard Industrial Ethernet – mit PROFINET auf Feldebene und OPC UA ab der Steuerungsebene. Aber Siemens geht dabei noch einen Schritt weiter: mit dem Ethernet-basierten Standard TSN (Time-Sensitive Networking) für reservierte Bandbreiten, Quality of Service (QoS)-Mechanismen, eine geringe Übertragungslatenz und gleichzeitige Übertragung mehrerer Protokolle, die auch echtzeitfähig sein können, in industriellen Netzwerken.

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TSN Titelstory im Industrial Communication Journal (Ausgabe 2/2018)

Die industrielle Kommunikation gilt als Schlüssel zum digitalen Unternehmen – Fragen Sie sich auch wohin die Reise geht?

Hier können Sie sich den kompletten Artikel als PDF herunterladen. Der Artikel wurde zuvor im Industrial Communication Journal veröffentlicht. (Quelle: Industrial Communication Journal)
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Ganz klar der Weg in die Zukunft: PROFINET und OPC UA mit TSN.

Die zunehmende Digitalisierung von Produktionsprozessen verlangt nach immer höherer Offenheit, Robustheit, Deterministik und Flexibilität der industriellen Kommunikation: Nur eine Produktion, die hochgradig agil kommuniziert und reagiert, kann eine schnelle und zuverlässige Fertigung individueller Produkte sicherstellen und auch zeitlich enge Lieferpläne erfüllen.

Ganz klar ein großer Schritt hin zur Digitalisierung

Während industrielle Steuerungssysteme auf eine Kommunikation in Echtzeit angewiesen sind, steht bei IT-Systemen der offene Zugang zu den Daten im Vordergrund. Die darauf begründete Trennung dieser Netzwerke in Unternehmen muss nun mit der zunehmenden Digitalisierung im Blick durch eine offene, durchgängige Vernetzung ersetzt werden, um eine flexible und deterministische Produktion zu ermöglichen. Mit TSN (Time-Sensitive Networking) wird dafür im Rahmen der IEEE 802.1 eine standardisierte Basistechnologie für garantierte Quality of Service und erhöhte Anforderungen im Ethernet geschaffen. TSN setzt sich aus einer Reihe von Einzel-Standards zusammen, die ausschließlich den OSI-Layer 2 der Kommunikation betreffen. Dadurch bleibt die Anwenderschnittstelle auch mit TSN unverändert.

Von der Automobilindustrie über den Maschinenbau bis hin zur Nahrungs- und Genussmittelindustrie – TSN bietet entscheidende Vorteile für die industrielle Produktion wie z.B. reservierte Bandbreiten, Quality of Service (QoS)-Mechanismen, eine geringe Übertragungslatenz und die gleichzeitige Übertragung mehrerer Protokolle – auch echtzeitfähiger. Um damit den Wandel der industriellen Netzwerke für die Digitalisierung mitzugestalten, setzt Siemens zukünftig auf TSN – von der Feldebene über die Kommunikation von Maschine zu Maschine (M2M) auf Steuerungsebene bis hin zur Bedienerebene.

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Gemeinsam die Entwicklung vorantreiben

Für TSN ist bereits ein vielversprechender Anfang gelungen, dem nun zur weiteren Entwicklung die Erprobung von TSN im Labs Network Industrie 4.0 (LNI4.0) folgt. Unter LNI4.0 werden Testumgebungen und -installationen in Deutschland für Industrie 4.0 miteinander vernetzt. Siemens gehört zu den Gründungsmitgliedern von LNI 4.0. Gemeinsam mit verschiedensten Industrieunternehmen setzt Siemens hier nun alles daran, um die Interoperabilität auf TSN-Basis zwischen verschiedenen Herstellern zu testen und im Testbed das Potenzial von TSN für die M2M-Kommunikation und die Vernetzung von Maschinen bis hin zur Cloud zu erforschen. Bei Bedarf werden die gewonnenen Erkenntnisse den Standardisierungsgremien zur Verfügung gestellt, um in die Weiterentwicklung einzufließen.

Häufig gestellte Fragen über TSN

Was ist der Vorteil von Ethernet mit TSN gegenüber dem Ethernet von heute?

Ethernet mit TSN erweitert die bestehenden Ethernet-Mechanismen im Wesentlichen um die Themen „Quality of Service“ (QoS), z.B. Bandbreitenreservierung, sowie Synchronisation, geringe Latenzzeiten und sogar stoßfreie Redundanz.

 

Die Applikationen melden ihren Kommunikationsbedarf am Netzwerk an und bekommen den angeforderten QoS vom Netzwerk zugesichert. Die jeweiligen Verbindungen laufen in sogenannten Streams, die über die Ressourcenallokation in den Speichern der Ethernet Switches Bandbreitenschutz genießen. Prinzipiell kann jeder dieser Streams echtzeitfähig werden. Aufgrund der abgekapselten Streams ist es bei TSN zudem möglich, mehrere echtzeitfähige Protokolle in einem einzigen Netzwerk parallel zueinander zu betreiben (Netzwerk-Konvergenz). Das ist ein fundamentaler Unterschied zu heutigen Ethernet-basierten Echtzeitprotokollen, bei denen das Netzwerk nur ein einziges echtzeitfähiges Protokoll zulässt.

Werden für TSN spezielle Ethernet-Prozessoren benötigt oder funktionieren auch heutige Standard Ethernet-Komponenten?

Für TSN wird ein „TSN-fähiger“ Hardware-Baustein benötigt; die heute verbauten Ethernet-Bausteine können in der Regel nicht durch Software auf TSN erweitert werden.

Jedoch ist abzusehen, dass in Zukunft der „Standard Ethernet-Baustein“ ein TSN-fähiger Ethernet-Baustein sein wird. Das ist der Hautmotivator für Siemens, PROFINET auf TSN aufzusetzen. Alle namhaften Bausteinhersteller haben bereits begonnen oder zumindest angekündigt Hardware-Bausteine mit TSN-Mechanismen zu entwickeln. Damit entstehen für Gerätebauer mannigfaltige Möglichkeiten für ihre verschiedenen Hardware-Designs der Geräte.

Sehen Sie sich auf YouTube das Video zur TSN-Echtzeitkommunikation an:
Video ansehen: PROFINET basierend auf TSN

Ganz klar auf dem Weg zu TSN: PROFINET und OPC UA

TSN vereint bestehende IEEE-Standards, die weitestgehend den OSI-Layer 2 der Kommunikation betreffen. Damit ist TSN kein Kommunikationsprotokoll, sondern eine Basistechnologie, die sowohl von PROFINET als auch von OPC UA in den kommenden Jahren als eine Art „Turbo“ genutzt werden kann.

Ein beispielhaftes Modell aus der diskreten Industrie

Wenn Maschinen sich über TSN verständigen –
Siemens zeigt, wie es geht

Wie kann eine M2M-Kommunikation mit TSN in der Praxis aussehen? Weil alle Theorie grau ist, nutzt Siemens ein Messemodell mit zwei sich synchron bewegenden Robotern, um dies anschaulich zu zeigen. Beide Roboter kommunizieren dabei jeweils über PROFINET mit einer SIMATIC Steuerung. Beide Steuerungen werden über OPC UA PubSub (Publish/Subscribe) basierend auf TSN synchronisiert. Dank der Bandbreitenreservierung ist die Datenübertragung im TSN-Netzwerk unabhängig von der Auslastung genau vorhersagbar.

 

Zusätzlich werden im Modell Daten über einen Kommunikationsprozessor aus der Steuerung in eine Cloud, z.B. MindSphere, übertragen, um zu demonstrieren, wie TSN-Kommunikation und Standard-Ethernet-Kommunikation im gleichen Netzwerk genutzt werden können.

Downloads, Support, Services

Ganz klar mehr Informationen

Nutzen Sie weitere Informationsquellen, um TSN, den Turbo für Industrial Ethernet mit PROFINET und/oder OPC UA, besser kennenzulernen. Ob Broschüren, Infomaterial, technische Daten, FAQs oder Services – hier werden Sie fündig!

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