Bis Mitte der 1980er-Jahre waren viele der verwendeten Sensoren und Aktoren analog. Systeme wie die 4-20-mA-Stromschleife ermöglichten nicht nur präzise Messungen entlang langer Kabelstrecken, sondern versorgten auch das Gerät mit Strom. Dank ihrer hohen Störfestigkeit boten sie zudem Sicherheit, da Kabelbrüche leicht erkannt werden konnten – ein entscheidender Aspekt für die sichere Installation von Anlagen mit Gefahrenpotenzial.

Ein Nachteil dieser Technologie war der Bedarf an Kabeln für jeden Sensor und Aktor, was zu zahlreichen parallelen Verkabelungen in Fabriken und Anlagen führte. Die Reduzierung der Komplexität und der Kosten der Verkabelung trieb die Entwicklung von Netzwerktechnologien voran. Diese Technologien konzentrierten sich auf die serielle Schnittstelle (UART), die in kostengünstige Mikrocontroller integriert ist, sowie auf einen geeigneten Transceiver (z. B. RS-485) oder die CAN-Technologie (Controller Area Networking), die im Automobilsektor weit verbreitet ist (Abbildung 1).

Diese Netzwerke der ersten Generation nutzten unterschiedliche Technologien für die physikalische Schicht (PHY, Schicht 1 des OSI-Modells) und die Sicherungsschicht (Schicht 2 des OSI-Modells), weshalb die Systeme ohne Gateway selten kompatibel waren. Zu ihren wichtigsten Merkmalen zählten jedoch Robustheit, selbst über Entfernungen von Hunderten von Metern, definierte Wartezeiten, Determinismus und die Einhaltung von Sicherheitsanforderungen.

Diese Feldbustechnologien sind weltweit millionenfach im Einsatz, doch die Technologie der physikalischen Schicht hat sich weitgehend nicht weiterentwickelt, was die verfügbare Bandbreite einschränkt. Gleichzeitig sind industrielle Automatisierungssysteme immer komplexer geworden und integrieren großflächige Datenerfassung, beispielsweise durch Kameras, die in Echtzeit-Regelkreise innerhalb der Verarbeitungsumgebungen eingebunden sind. Die Vielfalt der installierten physikalischen Schichten macht es unmöglich, unterschiedliche Systeme über dieselbe Verkabelung zu betreiben.

Ethernet, ein etabliertes und weit verbreitetes Netzwerk für IT-Installationen in Gebäuden und Fabriken, bietet hohe Bandbreite und eine Vielzahl von Anbietern für alle benötigten Komponenten – von Steckverbindern und Kabeln bis hin zu Siliziumbauteilen. Um das Jahr 2005 kamen Ethernet-basierte Lösungen auf den Markt, die sich um eine einzige physikalische Schicht (PHY) gruppierten. Der Rest des OSI-Modells wies jedoch erhebliche Probleme hinsichtlich Latenz, Bandbreitenreservierung, Zuverlässigkeit und Sicherheit auf. Infolgedessen wurden verschiedene Layer-2-Lösungen auf Basis der Ethernet-Physikschicht entwickelt. Doch auch hier litten industrielle Automatisierungssysteme unter Inkompatibilitäten zwischen Lösungen verschiedener Hersteller (Abbildung 2).

Schluss mit proprietären Lösungen:
Nicht nur die Industrieautomation setzt auf Ethernet, doch die Einhaltung der technischen Spezifikationen bereitet weiterhin Sorgen. Auch die professionelle Audio- und Videotechnik sowie die Automobilindustrie sind daran interessiert, die Vorteile von Ethernet zu nutzen, sofern Probleme wie Latenz und Deterministik gelöst werden können. Proprietäre industrielle Ethernet-Systeme der zweiten Generation basieren zudem auf 100-Mbit/s-Physikschichten und den damit verbundenen sperrigen Kabeln, während andere Marktsegmente bereits Gigabit-Geschwindigkeiten erreichen.

Die Hauptprobleme, die die Einführung von Ethernet in der Industrie bisher behindert haben, wurden inzwischen durch einen Satz gemeinsamer Standards namens Time Sensitive Networking (TSN) gelöst. Dieser Standard ermöglicht es kommerziellen Lösungen – von Siliziumbauteilen bis hin zu Kabeln – miteinander zu interagieren, angetrieben durch die Nachfrage vieler Industriezweige mit ähnlichen Anforderungen. Er sieht außerdem die Verwendung von physikalischen Schichten vor, die Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s ermöglichen, sowie die Verwendung von Single-Pair-Ethernet (SPE), wodurch der Verkabelungsaufwand und die Kosten deutlich reduziert werden.

Dies sind einige der wichtigsten TSN-Standards, die die für industrielle Netzwerke erforderliche Synchronisierung und das Timeout bereitstellen:
• IEEE 802.1AS – Timing und Synchronisierung für zeitkritische Anwendungen. Ein Mechanismus teilt Synchronisierungsdaten zwischen einem Master-Netzwerkknoten und anderen Knoten, um einen gemeinsamen Referenztakt als synchrone Basis bereitzustellen. Es handelt sich um ein IEEE-1588-Profil.

• IEEE 802.1Qbv – Dieser Standard bietet weitere Verbesserungen zur Sicherstellung von End-to-End-Timeouts in Anwendungen, indem Datenverkehr mit niedriger Priorität während definierter Zeitfenster blockiert wird. Dies ermöglicht die Verwendung in Anwendungen wie der geschlossenen Ethernet-Regelung mit einem zeitbasierten Scheduler.

• IEEE 802.1Qbu – Dieser Standard definiert die Layer-2-OSI-Lookahead-Methoden, die Interspersed Express Traffic (IET) gemäß IEEE 802.3br ermöglichen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Wartezeit bestimmter Datenströme in gemischten Verkehrsumgebungen, z. B. durch das Abfangen von langem Datenverkehr mit niedriger Priorität.

Diese Änderungen sowie die Bemühungen, diese Standards anhand von Anwendungen innerhalb des IEC/IEEE 60802-Profils von TSN für die industrielle Automatisierung zu gruppieren, sollten dazu beitragen, die Grundlage für die industrielle Netzwerktechnologie der dritten Generation zu bilden.

Industrielle Netzwerke mit TSN:
Kompakte, hochintegrierte System-on-Chip (SoC)-Lösungen eignen sich ideal zur Modernisierung von Anlagen, die TSN nutzen können. Der TC9562 ist ein solches Gerät mit PCIe-Schnittstelle, das die Funktionalität großer SoCs auf SPS (Speicherprogrammierbare Steuerungen) erweitert oder als Steckkarte für Industrie-PCs dient (Abbildung 3). Er bietet alle TSN-Funktionen, von der IEEE 802.1AS-Synchronisierung bis zum IEEE 802.1Qbv Time-Aware Shaper (TAS) mit sechs Warteschlangen und flexibler Pufferverwaltung über alle Warteschlangen hinweg. Die Hardwareunterstützung für die Gate-Steuerung ermöglicht eine hohe Granularität zur Steuerung der vom TAS innerhalb eines Maschinenzyklus verwendeten Zeitschlitze. IEEE 802.1Qbu und IEEE 802.3br bieten Antizipationsfunktionen, um die prioritäre Verarbeitung zeitkritischer Datenpakete sicherzustellen.

Die für den Betrieb erforderliche Firmware wird während der Initialisierung über PCIe heruntergeladen. Dies ermöglicht auch zukünftige Aktualisierungen, beispielsweise Änderungen oder Anpassungen der relevanten TSN-Standards (Abbildung 4). Unterstützt werden die Schnittstellen SGMII, RGMII, RMII und MII mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s bzw. 1000 Mbit/s. Zusätzlich werden SPE-T1-Physikalische Schichten unterstützt, um dem Trend zu leichteren und einfacheren Kabeln gerecht zu werden.

Eine erste Evaluierung des Geräts kann mithilfe der PCIe-Referenzkarte erfolgen, die mit einem Industrie-PC unter Fedora 27 verwendet werden kann. Toshiba bietet eine umfassende Palette an Treibern und weiteren Dienstprogrammen sowie Beispielanwendungen und TSN-Demonstrationen (Abbildung 5). Diese beinhalten Beispiele für den Betrieb von TAS, um die Antizipationsfähigkeiten zu visualisieren. Die Auswirkungen auf die Übertragungsgeschwindigkeit können mit Standardtools wie iPerf analysiert werden.

Da standardisierte physikalische Schichten und Layer-2-Ethernet-Implementierungen die Echtzeitanforderungen der industriellen Automatisierung erfüllen, stellt sich die Frage, was von der industriellen Netzwerktechnologie der vierten Generation zu erwarten ist. Wie in anderen Branchen wird auch hier eine Standardisierung der höheren Schichten des OSI-Modells erwartet. Organisationen wie die OPC Foundation haben eine Arbeitsgruppe zur Feldkommunikation (Field-Level Communication, FLC) eingerichtet, um ein Machine-to-Machine-Kommunikationsprotokoll mit einheitlicher Architektur (OPC UA) zu entwickeln. Dieser offene, plattformübergreifende Ansatz, kombiniert mit robuster Sicherheit, birgt das Potenzial, die Komplexität, mit der Ingenieure derzeit konfrontiert sind, erheblich zu reduzieren. Die Installation neuer Geräte würde lediglich erfordern, dass die Maschine ihre Fähigkeiten (z. B. die Freiheitsgrade eines Roboters, die maximale Nutzlast usw.) mithilfe einfacher, standardisierter Datenstrukturen deklariert. Diese ermöglichen es anderen Systemen, die Fähigkeiten schnell zu verstehen und in die jeweilige Aufgabe zu integrieren.

Zusammenfassung:
Ethernet hat begonnen, viele traditionelle Netzwerktechnologien auf der physikalischen Schicht industrieller Automatisierungssysteme zu verdrängen. Die verschiedenen für Schicht 2 vorgeschlagenen Lösungen sind jedoch darauf ausgerichtet, die traditionelle Schwäche von Ethernet zu beheben, die dessen Einsatz in vielen Anwendungen bisher eingeschränkt hat. Die Einführung von TSN (Technical Network Network) schafft die notwendige Standardisierung, um die Interoperabilität von Geräten verschiedener Hersteller zu gewährleisten und gleichzeitig die Kosten zu senken. Geräte wie der TC9562, der mit Open-Source-Software kompatibel ist, bieten eine hervorragende Grundlage für die Einführung industrieller Netzwerke mittels TSN.

Artikel bereitgestellt von Toshiba Electronics Europe GmbH