Automatisierungstechnik : Wie der Kommunikationsstandard TSN das Ende der Schnittstellenkriege einläutet

Sie waren damals nicht zu übersehen – die riesigen Plakate auf der SPS IPC Drives mit einem Aufdruck: „Industrie 4.0 ready“. Messestandwände, Kundenmagazine und Give-aways wurden von vielen Ausstellern mit dem Slogan bedruckt, Aufkleber an Maschinen und Antriebe gepappt – das Prüfsiegel für die Zukunft, sollte man meinen. Doch nur wenige Vertriebler konnten damals genau erklären, wie ein Unternehmen denn „Industrie 4.0 ready“ werden kann – Werbewelten eben.

Dieses Jahr ist alles anders. Und im Gegensatz zu damals können die Unternehmen sehr wohl erklären, was hinter der neuen Form der Industriekommunikation steckt. Die Idee: die herstellerübergreifende Vereinheitlichung des „Netzwerk-Sammelsuriums“.

TSN steht für Time Sensitive Networking. Es besteht aus einer Gruppe von Standards, die verschiedene Mechanismen für die Echtzeitfähigkeit von Ethernet beinhalten. Diese sorgen für berechenbare und garantierte Ende-zu-Ende Latenzen mit stark begrenzten Latenzschwankungen. Die Technologie verspricht die Bandbreite von IT-Netzen mit der Robustheit und Deterministik von OT(Operation Technology)-Netzen zu kombinieren.

Der Plan der TSN-Treiber: Unterschiedliche höhere Protokolle, wie OPC UA, aber auch herkömmliche Feldbusse können sich zukünftig quasi auf TSN abstützen. „Hinter OPC UA TSN stehen mitt- lerweile sehr viele namhafte Hersteller. Dadurch gewinnt das Thema an Relevanz und die Etablierung von OPC UA TSN ist nicht mehr nur wahrscheinlich, sondern sicher“, meint Stefan Schönegger, Marketingleiter beim Automatisierungsunternehmen B&R.

Anfang nächsten Jahres sollen die ersten Halbleiterbausteine verfügbar sein. Um die zukünftige Rolle von TSN zu verstehen, hilft ein Blick auf das Referenzarchitekturmodell 4.0 (RAMI). Die Feldbusse verbleiben auf dem Integration Layer des Referenzarchitekturmodells. Auch TSN ist zunächst reiner Datentransporteur und muss im Zusammenspiel mit OPC UA gesehen werden. OPC UA sei, erklärt Heinrich Munz von Kuka, jedoch viel mehr als lediglich nur ein Kommunikationsprotokoll. OPC UA beinhalte auch Mechanismen, wie die für Service-orientierte Architekturen so wichtigen semantischen Service- oder auch Selbstbeschreibungen, Companion Specifications genannt, sagt Munz.

Damit kann sich eine bestimmte Type von Automatisierungsgerät vollständig selbst beschreiben, auch und vor allem maschinenlesbar. Dies ist die Voraussetzung, damit eine weitestgehend automatisierte Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) ablaufen kann – ohne aufwendige Konfigurationsarbeiten, auch Self Configuration bzw. Zero Touch genannt, versprechen die OPC UA TSN-Vordenker.

„Wann welcher Feldbus von OPC UA TSN abgelöst wird, entscheidet der Anlagen- oder Maschinenbauer und dessen Kunden“, schildert Kuka-Mann Heinrich Munz. Manche herkömmlichen Feldbusse könnten in der Tat vollständig durch OPC UA TSN abgelöst werden, bei anderen sei dies nicht sinnvoll möglich, sagte er in einem Interview.

Zu den erstgenannten gehören diejenigen Feldbusse, welche heute mit wenig bis gar keinen Manipulationen am herkömmlichen Ethernet auskommen und nur eine relativ weiche Echtzeit ermöglichen, schreibt der TSN-Experte. Schwer ersetzbar sind die hart echtzeitfähigen Feldbusse beispielsweise für Antriebslösungen, welche mit proprietärer Hardware-Unterstützung die Ethernet-Bandbreite beispielsweise durch Summenrahmenverfahren bei hoher Deterministik nahezu vollständig verfügbar machen.

Georg Kroiss von der TTTech Computertechnik AG aus Wien meint: „Die Kombination aus TSN mit OPC UA hingegen hat aus unserer Sicht als Technologieprovider absolut das Potenzial, Feldbusse systematisch abzulösen.“ Aber ein Umstieg von heute auf morgen wird aus seiner Sicht nicht kommen. Grund: Die Investitionszyklen der Industrie.

Die Kombination von TSN und OPC UA ist entscheidend, denn ohne OPC UA ist TSN auch nur ein Datentransporteur. Wie eine Anwendung die Daten interpretieren kann, muss durch zusätzliche Protokolle, wie beispielsweise Profinet oder OPC UA, sichergestellt werden. „Daher sehen wir bei Profibus & Profinet International in TSN auch ‚nur‘ einen weiteren Mechanismus, den wir zukünftig für Profinet nutzen werden“, erklärt Karsten Schneider von Profibus & Profinet International.

Etablierte Protokolle wie Profinet werden nach seiner Meinung daher auch weiterhin eine wesentliche Rolle spielen. Sie seien darauf spezialisiert, Daten im Feld einzusammeln und an einen Controller beispielsweise SPS zu übergeben oder von dort Werte zu bekommen.

Seit fünf Jahren arbeitet die IEEE-802.1 TSN Task Group an der Standardisierung von Echtzeit-Funktionalität in Ethernet. Nächstes Jahr, so Analysten, soll der kommerzielle Durchbruch gelingen – Markstudien rechnen mit über 600 Mio. US-Dollar Umsatz bis 2024, die Produktivitätseffekte nicht mitgerechnet. Vor allem in den USA und Europa soll das Wachstum entstehen. Zu den Treibern der Technologie zählen unter anderem B&R, Schneider Electric, TTTech Computertechnik, Cisco, National Instruments, Bosch Rexroth, Intel und Kuka.

Um die Vorteile hinsichtlich Determinismus und Isolation unterschiedlicher Traffic-Klassen voll nutzen zu können, brauchen Industrieanwender TSN-fähige Switches. „Eine Stärke von TSN ist die Herstellerneutralität“, berichtet Kroiss. Cisco, Belden Hirschmann und TTTech haben bereits TSN-fähige Switches am Markt.

Dazu kommt: „Einer der Erfolgsfaktoren in der langen Geschichte von IEEE Ethernet ist, dass die Technologie laufend weiterentwickelt wurde, um neue Use Cases abzudecken, aber dabei stets die Rückwärtskompatibilität gewahrt wurde. So ist es auch mit TSN: Die volle Rückwärtskompatibilität zu ‚prä-TSN‘-Ethernet ist gegeben, darüber hinaus können als Migrationspfad auch die bereits er- wähnten ‚Feldbus über TSN‘-Lösungen umgesetzt werden“, ergänzt Kroiss.

Schneider entgegnet: „Für den kommerziellen Durchbruch in Anlagen reicht es nicht, TSN-fähige Switche zu haben. Letztendlich muss jedes Gerät TSN unterstützen, damit man die Vorteile von TSN nutzen kann. Eine der wesentlichen Anforderungen aus Kundensicht ist eine einfache Nutzung in ihren Anlagen.

Nur wenn die Konfiguration der Echtzeiteigenschaften mit TSN einfach und aufwandsarm erfolgt, hat die Technologie eine Chance auf breite Akzeptanz.“ Themen wie Plug & Work oder dynamische Änderungen von Anlagen durch Hinzufügen von Maschinen oder Komponenten ohne den Einsatz von IT Spezialisten sind seiner Meinung nach die wichtigsten Forderungen der Anwender.

TSN soll die Kommunikation in den Fabriken auch günstiger machen. Hauptgrund: Die Technik setzt auf Standard-Consumer-Chips, die nur einen Bruchteil der heutigen Chips kosten. Dazu kommt: Anwender können auf Doppelverdrahtung, isolierte Netzwerke, Gateways oder Steuerungen als Router verzichten.

Lesen Sie dazu auch den Kommentar von Daniel Pohselt zum Thema Kommunikationsstandards: "Waffenruhe"