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Datennetze Fertigung per TSN in Echtzeit überwachen und steuern

| Autor / Redakteur: John Browett / Reinhold Schäfer

Das Time-Sensitive Networking (TSN) ermöglicht einen kontinuierlichen Datenstrom auch über Unternehmensgrenzen hinweg. So können Fertigungsprozesse in Echtzeit überwacht und gesteuert werden.

Die Technik des Time-Sensitive Networking (TSN) soll die Vorteile des Smart Manufacturing in greifbare Nähe rücken, indem sie schon heute ganzheitliche Lösungen für die industrielle Kommunikation ermöglicht.
Die Technik des Time-Sensitive Networking (TSN) soll die Vorteile des Smart Manufacturing in greifbare Nähe rücken, indem sie schon heute ganzheitliche Lösungen für die industrielle Kommunikation ermöglicht.
(Bild: CC-Link )

Connectivity ist der maßgebliche Erfolgsfaktor für die digitale Transformation, die derzeit in der Fertigungsindustrie stattfindet, und ihre Rolle gewinnt immer mehr an Bedeutung. Mit herkömmlichem industriellen Ethernet ist die Fertigungsindustrie lange Zeit gut gefahren. Auch hat sich die Ethernet-Technik im Laufe der Jahre weiterentwickelt und neue Herausforderungen und Anforderungen der industriellen Kommunikation bewältigt.

Einige Technologien sind jedoch inzwischen überholt und hindern Unternehmen beim Zugang zur Industrie 4.0. Nur neue Techniken, die den Anforderungen von Smart Manufacturing, dem Industrial Internet of Things (IIoT) und Big Data genügen, können diese Hürden erfolgreich überwinden.

So hilft TSN dem gesamten Unternehmen

Flexible, reaktionsschnelle und transparente cyberphysische Fabriken verlangen grundsätzlich übergeordnete Systeme, die die Überwachung, Steuerung sowie dezentrale und autonome Entscheidungen über alle Prozessabläufe hinweg ermöglichen.

Der eleganteste Weg hierfür ist die Nutzung eines gemeinsamen Industriedatennetzes, in dem die Bereiche Informationstechnik (IT) und Operational Technology (OT) zusammengelegt werden. In der Praxis wird dies bislang nur von wenigen Unternehmen erreicht. Typischerweise arbeiten Industrieanlagen mit vielen verschiedenen Datennetzen, die nach und nach eingerichtet wurden und zum jeweiligen Zeitpunkt unterschiedliche Aufgaben erfüllten.

Die TSN-Technik ermöglicht es, die Grenzen, die zwischen den verschiedenen Netzen bestehen, zu überwinden, indem sie verschiedene Industrial-Ethernet-Protokolle in einer Datennetzinfrastruktur integriert. Dabei helfen Standards, die unter der IEEE 802.1 für TSN definiert sind. Elementar sind die Standards 1588, 802.1AS und Qbv, die jeweils die Zeitsynchronisation von Geräten in einem Datennetz definieren und die Prioritäten im Datennetzverkehr festlegen.

Dies sorgt dafür, dass wichtige Prozessdaten zuverlässig und deterministisch verarbeitet werden und gleichzeitig Daten mit geringerer Priorität im selben Datennetz transportiert werden können. Somit schafft TSN nicht nur Produktivitätsvorteile, sondern senkt auch die Kosten für die Datennetz­infrastruktur. Die Vereinigung von zeitkritischen und nicht zeitkritischen Daten in einem Netz vereinfacht die Netzplanung und verringert die Kosten für die Verkabelung sowie die Verwaltung und den Betrieb (Capex/Opex).

Das „Standard“-Ethernet wird mit TSN zwar deterministisch, doch adressiert TSN lediglich die Data-Link-Schicht des Ethernet-​Protokolls. Übergeordnete Funktionen werden davon nicht beeinflusst und beibehalten. Dies sind typische industrielle Ethernet-Protokolle wie Safety und Motion Control.

TSN ist offen und auch kompatibel mit zukünftigen Techniken, die denselben IEEE-802.1-Unterstandards entsprechen. Die Arbeitsgruppe IEC/IEEE 60802 arbeitet derzeit daran, TSN-Profile für die industrielle Automatisierung zu standardisieren.

Globale Fertigungsindustrie wird sich verändern

Diese Möglichkeiten und Vorteile bergen Potenzial für die Optimierung von Produktionsprozessen und zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen, die frühzeitig auf TSN setzen. Langfristig werden sie die globale Fertigungsindustrie verändern. Mitsubishi Electric hat bereits Produkte vorgestellt, die TSN unterstützen. Somit ist das Konzept keine Zukunftstheorie mehr.

TSN ermöglicht es, einzelne „Automatisierungsinseln“ innerhalb von Fabriken zu vereinheitlichen und zu unabhängigen und selbst­organisierten „lebenden Systemen“ zu vernetzen.

Dabei zielen die cyberphysischen Systeme, die TSN unterstützen, nicht nur auf die Automatisierung ab, sondern auch auf das Anlagenmanagement und die vorausschauende Wartung (Predic­tive Maintenance). In Kombination mit OPC UA bietet TSN beispielsweise ein effizientes und zuverlässiges Datennetz für die Übertragung wertvoller, konkreter Livedaten über die Leistung physischer Maschinen und ihrer virtuellen Ebenbilder. So ist es möglich, wirklichkeitsgetreue digitale Zwillinge zu erstellen, die in Echtzeit reagieren können.

Das ist bei der Einführung von TSN zu beachten

Als Schlüsselfaktor für Industrie 4.0 wird TSN in naher Zukunft sicherlich „ein Muss“ für die industrielle Kommunikation werden. Daher sollten Entwicklungsteams sich mit Vertretern der unterschiedlichen Fachbereiche wie IT, Konstruktion, Fertigung und Logistik mit TSN auseinandersetzen und mit der Planung und Integration dieser Technik in ihren industriellen Kommunikationsnetzen starten.

Die Auseinandersetzung mit der TSN-Technik ist zugleich eine gute Gelegenheit, die verwendeten Systeme zu prüfen und einen Migrationspfad zu finden, der künftige Anforderungen erfüllt. Gleichzeitig hält der Trend zu immer größeren Bandbreiten an, um der „Datenexplosion“ im Zuge von Industrie 4.0 gerecht zu werden.

Deshalb gilt es zuerst, zu prüfen, welche offenen Datennetztechniken der jeweiligen Branche zur Verfügung stehen und ob diese TSN-kompatibel sind. Als Zweites muss geprüft werden, ob diese Lösungen Gigabit-bandbreitenfähig sind. Ein vor Kurzem auf dem Markt eingeführtes industrielles Ethernet, das beide genannten Anforderungen erfüllt, ist CC-Link IE TSN. Dabei handelt es sich um die erste offene industrielle Ethernet-Technik, die TSN-kompatibel ist und Gigabit-Bandbreite ermöglicht.

Der Artikel ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt erschienen.

* John Browett ist General Manager der CC-Link Partner Association (CLPA) – Europe in 40832 Ratingen.

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