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Time-Sensitive Networking (TSN)

So viele Vorteile ethernetbasierte Automatisierungstechnologien gegenüber den klassischen Feldbussen wie PROFIBUS mitbringen, bergen sie jedoch ein zentrales Manko: Sie sind nicht deterministisch (echtzeitfähig). Mit anderen Worten: Die rechtzeitige Ankunft zeitkritischer Telegramme am Bestimmungswort kann nicht ohne Weiteres garantiert werden. Deshalb hat die IEEE Arbeitsgruppe 802.1 eine Reihe von Maßnahmen standardisiert, mit denen genau das sichergestellt werden soll. Seit der PROFINET Spezifikation V2.4 wurden einige davon auch für PROFINET nutzbar gemacht.

Warum TSN in PROFINET?

Ein zentraler Vorteil von ethernetbasierten Industrienetzwerken ist es, dass verschiedene Protokolle über die selbe Netzwerkinfrastruktur kommunizieren können. Dies führt in PROFINET-Netzwerken jedoch dazu, dass sowohl der zeitkritische (zyklische) PROFINET-Datenverkehr zur Steuerung der Automatisierungsprozesse als auch der nicht zeitkritische (azyklische) Nicht-PROFINET-Datenverkehr das selbe Netzwerk benutzen.
Von Haus aus gewähren PROFINET-Switches zwar dem PROFINET-Datenverkehr „Vorfahrt“. Ist das Netzwerk jedoch sehr stark mit azyklischem Nicht-PROFINET-Datenverkehr belastet, „blockiert“ dieser irgendwann die Übertragungswege – die rechtzeitige Ankunft der PROFINET-Telegramme kann nicht mehr sichergestellt werden, denn in PROFINET-Netzwerken gibt es keine mehrspurige „Autobahn“ bzw. „Überholmöglichkeit“.

Um die rechtzeitige Ankunft zeitkritischer Telegramme in ethernetbasierten Netzwerken sicherzustellen, hat die IEEE Arbeitsgruppe 802.1 eine Reihe von Maßnahmen standardisiert, die unter dem Namen Time-Sensitive Networking (TSN) zusammengefasst werden. Dazu gehören unter anderem:

Datenpaketen feste Routen (Streams) durch das Netzwerk zuzuweisen,
eine Art Fahrplan für die Kommunikation (Scheduled Traffic) aufzustellen oder
große, zeitunkritische Telegramme aufzuspalten und in mehreren Teilen zu übertragen, um die vorhandene Bandbreite optimal auszunutzen (Preemption).

Wird die Bandbreite dann mit verschiedensten Datentypen optimal ausgenutzt, könnte es im Extremfall so aussehen:

Einteilung der Konformitätsklassen A - C

Sonderfall: Conformance Class D

Konvergente Netze dank Time-Sensitive Networking

Ein weiterer Grund, TSN für die industrielle Automatisierung nutzbar zu machen, liegt im zunehmenden Zusammenwachsen von Netzwerken der Informationstechnologie (IT) und der industriellen Automatisierung (Operational Technology/OT). In letzterer werden immer häufiger nicht mehr nur Befehle zur Maschinen-/Anlagensteuerung übertragen, sondern auch prozessbegleitende Informationen (z.B. Sensordaten oder Informationen zum Energiemanagement). Diese müssen dann nicht zum Controller, sondern zu einer übergeordneten Monitoring-/Auswerteeinheit oder sogar in die Office-Ebene (bspw. ERP-System) des jeweiligen Unternehmens. Voraussetzung dafür ist eine durchgängige, barrierefreie Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud.

Um zu diesem Zweck IT und Automatisierung zu verbinden, wird ein herstellerneutraler, offener Kommunikationsstandard gebraucht, der durch Time-Sensitive Networking in den Augen vieler Experten bereitgestellt wird. Um für die anfallenden Datenmengen gerüstet zu sein, bietet TSN die Möglichkeit des Aufbaus von Gigabit-Netzen, um in jedem Fall ausreichend Bandbreite für eine zügige Übertragung zu ermöglichen. Vor diesem Hintergrund erklärt sich die Entstehungsgeschichte von TSN, das ursprünglich aus dem Bereich des Audio-/Video-Bridgings kommt und perspektivisch beispielsweise auch in der Onboard-Vernetzung von Fahrzeugen eingesetzt werden kann – etwa, um durch Übertragung von Kamera-Bildern und Sensor-Informationen autonomes Fahren zu ermöglichen.

Industrial Switches und ihre besondere Rolle

Industrial Ethernet Switches organisieren als intelligente Datenkreuzungen die Kommunikation im Netzwerk und bestimmen daher wesentlich dessen Performance und Verfügbarkeit. So ist beispielsweise entscheidend, welche Datenübertragungsgeschwindigkeit ein Industrie-Switch leisten kann (100 Mbit/s, 1 GBit/s etc.) oder welche Übertragungsarten er anbietet (Kupfer, Lichtwellenleiter, usw.). Außerdem unterscheiden sich Switches hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der Telegramme ein- und ausgelagert werden können (Switching-Kapazität), ihrer Verarbeitungsgeschwindigkeit (Switching Speed) und dem internen Speicher (Switching Memory). Wie diese Merkmale miteinander zusammenhängen und welche Auswirkungen das auf die Netzwerk-Performance hat, haben wir in einem Erklärvideo dargestellt: » Erklärvideo jetzt anschauen

Switches unterscheiden sich also wesentlich in ihren Leistungsmerkmalen. Bei der Verbindung von IT und OT werden in unterschiedlichen Ebenen jedoch auch unterschiedliche Anforderungen gestellt. Die Switches sollten also je nach Einsatzgebiet und Anspruch an die Funktionalität ausgewählt werden – hier ein Konfigurationsbeispiel:

Conformance Class und Industrial Switches
– Besonderes Augenmerk auf die Switches legen

Industrieswitches organisieren als intelligente Datenkreuzungen die Kommunikation im Netzwerk und bestimmen daher ganz wesentlich dessen Performance und Verfügbarkeit.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen unmanaged und managed Switches. Unmanaged Switches sind meist zwar günstiger, bieten jedoch auch nur einen überschaubaren Funktionsumfang. Mitunter können sie sich deshalb sogar nachteilig auf die Netzwerkkommunikation auswirken, wenn sie bestimmte PROFINET-typische Funktionen nicht unterstützen. Außerdem werden sie bei einem Topologiescan nicht erkannt und fehlen somit in der Dokumentation.

Deshalb empfiehlt sich prinzipiell der Einsatz von managed Switches und – im Falle von PROFINET – nach Conformance Class B (CC-B) zertifizierten Switche, um die Vorteile der PROFINET-Technologie bestmöglich auszuschöpfen. Nur dann ist die Kompatibilität mit anderen PROFINET-Geräten und die Netzwerkverfügbarkeit bestmöglich sichergestellt. Einerseits bieten sie umfangreiche Möglichkeiten der Geräte- bzw. Portkonfiguration sowie die Aktivierung von Zusatzfunktionen wie Port Mirroring, Bandbreitenkontrolle oder Redundanz-Unterstützung. Andererseits stellen sie wichtige Informationen für die Diagnose bereit (Errors, Discards, Netzlast, Ableitstrom).