Im globalen Wettbewerbsumfeld besteht das Ziel darin, immer komplexere Produkte in gleichbleibend hoher Qualität zu marktgerechten Kosten und häufig in kundenspezifischen Ausführungen herzustellen. Intelligente Fabriken, die sich gemäß den Prinzipien von Industrie 4.0 autonom an veränderte Produktionsanforderungen anpassen, sind für das Erreichen dieses Ziels unerlässlich.
Erhöhte Kommunikationsanforderungen:
Vernetzte Produktionssysteme müssen nicht nur untereinander, sondern auch mit anderen Systemen innerhalb des Unternehmens kommunizieren. Diese Kommunikationsanforderung umfasst alles von Sensoren und Aktoren im Feld über Steuerungen und Master-Rechner bis hin zu lokalen und zentralen Rechenzentren und der Cloud. Jeder dieser Punkte dient sowohl als Datenquelle als auch als Datenziel.
Die fortschreitende Miniaturisierung der Mikroelektronik hat die starre Trennung zwischen Steuerrechnern und Peripheriegeräten aufgehoben. Da Sensoren und Aktoren zunehmend mit eigenen Prozessoren ausgestattet werden, wächst die Anzahl intelligenter Netzwerkknoten im Feld rasant. Die Architektur für die Datenverarbeitung – zentralisiert oder dezentralisiert – hängt von technischen und wirtschaftlichen Kriterien ab, darunter die Kosten der Datenübertragung über öffentliche Netze wie 5G.
Das traditionelle hierarchische Modell des Informationsaustauschs entwickelt sich hin zu einem strukturübergreifenden Datenkommunikationsansatz. Dieser Wandel wird durch den Bedarf an verbesserter Produktivität, Prozessstabilität, Produktqualität und Energieeffizienz vorangetrieben, die allesamt qualitativ hochwertige Informationen erfordern und folglich zu einem höheren Datentransfervolumen führen.
Ethernet in industriellen Anwendungen:
In der Informationstechnologie (IT) hat sich der Ethernet-Netzwerkstandard als Maßstab für den schnellen Austausch großer Datenmengen etabliert. Als weltweit führender Standard für die Vernetzung von Computern in Büroumgebungen bietet Ethernet eine hohe Übertragungsbandbreite. Darüber hinaus ermöglicht die TCP/IP-Protokollfamilie die global standardisierte Datenkommunikation über die Grenzen einzelner lokaler Netzwerke (LANs) hinweg.
Angesichts des stetig wachsenden Datenvolumens in Industriemaschinen und -systemen war es offensichtlich, dass Ethernet auch für industrielle Betriebstechnologieanwendungen (OT) eingeführt werden musste. Die präzise Synchronisierung von Bewegungsprozessen in industriellen Anwendungen erfordert jedoch in vielen Bereichen Echtzeitfähigkeit. Um dies zu erreichen, ist eine vorhersagbare Zeitsteuerung mindestens genauso wichtig wie eine ausreichend hohe Datenübertragungsrate.
Ethernet ermöglicht zwar die schnelle Übertragung großer Datenmengen, bietet aber nicht die für manche industrielle Anwendungen erforderliche deterministische Zeitgenauigkeit. Daher sind Verbesserungen notwendig, um den strengen Anforderungen industrieller Umgebungen gerecht zu werden.
Echtzeitfähigkeit für die Produktion erforderlich:
Deterministisches Echtzeitverhalten ist nur mit einer gemeinsamen Zeitbasis für alle Netzwerkteilnehmer möglich. Um vorhersagbares Echtzeitverhalten mit isochronen Zykluszeiten von unter einer Millisekunde zu erreichen, haben Hersteller von Automatisierungssystemen eine Reihe unterschiedlicher proprietärer Echtzeitprotokolle unter dem Dach von Industrial Ethernet entwickelt.
Feldbussysteme, die auf diesen Protokollen basieren, ermöglichen die schnelle Übertragung großer Datenmengen und den Transport sicherheitsrelevanter Daten über dieselben Leitungen mittels „Black-Channel“-Technologie. Allerdings weichen diese Systeme häufig erheblich vom Ethernet-Standard ab und sind untereinander sowie mit umliegenden Netzwerken nicht kompatibel.
Eliminierung proprietärer Bussysteme:
Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hat den Ethernet-Standard Time-Sensitive Networking (TSN) entwickelt, eine Erweiterung von Ethernet um Echtzeitfunktionen. Der IEEE 802.1 TSN-Standard regelt die Datenübertragung durch Zeitsynchronisation mithilfe einer gemeinsamen Zeitbasis und bietet Optionen für die Verkehrsplanung und die automatisierte Systemkonfiguration. Diese Funktionen sind essenziell für die universelle Vernetzung aller Computersysteme.
Eine weitere entscheidende Anforderung ist ein offenes Echtzeit-Kommunikationsprotokoll, um die Komplexität und den potenziellen Datenverlust bei der Übersetzung zwischen Systemen verschiedener Hersteller zu vermeiden. Diese Herausforderung wurde im November 2018 mit der Einführung von OPC UA über TSN in SPS, einer universellen Echtzeit-Kommunikationsplattform bis hinunter zur Sensorebene, angegangen.
Der in OPC UA FX (Field eXchange) umbenannte Standard behebt frühere Kompatibilitätsprobleme durch ein einziges, weltweit standardisiertes Protokoll. Er ist mit den wichtigsten Hardwareherstellern kompatibel, bildet die Grundlage für alle IIoT-Anwendungen und ist der Schlüssel zur Integration von IT und OT in ein einziges Netzwerk.
Erfahren Sie mehr über die Technologie hinter TSN und der neuen globalen Sprache OPC UA FX in diesem technischen Artikel von Kontron.
Der einheitliche Standard für Echtzeitkommunikation,
TSN, etabliert sich rasant als maßgeblicher Standard für Echtzeit-Datenkommunikation. Die Neudefinition von Ethernet hat die Leistung deutlich verbessert und ermöglicht Netzwerke mit Zehntausenden von Knoten. Diese Netzwerke kommunizieren bis zu 18-mal schneller als jedes vorherige Protokoll und sind zudem sehr einfach zu verwalten und zu konfigurieren. Dieser Fortschritt ermöglicht die Kombination von digitaler Bildverarbeitung und synchronisierter Echtzeit-Antriebstechnik mit kostengünstiger, vor Ort installierter Hardware.
Auch Endgeräte ohne TSN-Funktionalität können nahtlos in TSN-Netzwerken funktionieren, was darauf hindeutet, dass Ethernet-Installationen TSN-Funktionen zukünftig standardmäßig unterstützen werden. Diese Umstellung beseitigt die derzeit hohen Kosten für die Behebung von Kompatibilitätsproblemen und erleichtert die Integration zeitkritischer Systemkomponenten in das Internet der Dinge (IoT). Dadurch wird die Realisierung von Industrie-4.0-Konzepten ermöglicht. Darüber hinaus bietet das deterministische Zeitverhalten der Datenkommunikation erhebliche Vorteile in vielen Anwendungsbereichen jenseits von Maschinen und Produktionssystemen.
zu den Pionieren der TSN-Technologie
. Als solcher brachte das Unternehmen im April 2018 ein Time-Aware Networking Starter Kit auf den Markt. Diese umfassende Softwareumgebung unterstützt Programmierer und Anwender und adressiert die deutlich komplexere Netzwerkkonfiguration, die für TSN im Vergleich zu Standard-Ethernet erforderlich ist. Das Starter Kit enthält außerdem die passende Hardware mit TSN-kompatiblen Schnittstellen für Praxistests und erleichtert Systementwicklern so die Einführung der Technologie.
Eines der ersten TSN-kompatiblen Produkte von Kontron war eine PCIe-Steckkarte mit bis zu vier externen TSN-Kanälen. Diese Kanäle können einzeln, redundant oder in Ringkonfiguration verwendet werden und ermöglichen so die Erstellung topologieunabhängiger TSN-Netzwerke. Kontron hat eine schnelle Kommunikationslogik mittels FPGA (Field Programmable Gate Array) implementiert, die eine schnelle und einfache Reaktion auf Standardänderungen durch das Laden der neuesten Versionen ermöglicht.
Das kompakte SMARC sAL28-Modul bietet bis zu fünf Gigabit-Ethernet-Ports und einen integrierten TSN-Switch und eignet sich daher ideal zur Datenkonzentration als Edge-Gerät.
-fähige Produkte
als Standardfunktion in immer mehr seiner Produkte, darunter die neuesten Box-PCs, Rackserver, Workstations und Panel-PCs sowie COM Express®-Module, Motherboards und 3,5"-SBCs. Dies wird durch die Integration der TSN-Funktionalität in Halbleiter verschiedener Hersteller ermöglicht, beispielsweise in Intel® Core™-Prozessoren bis zur aktuellen 14. Generation. Diese Prozessoren unterstützen Intels Time Coordinated Computing (TCC)-Technologie, die TSN ermöglicht.
Das COM-HPC®-Clientmodul (High Performance Computing) COMh-ccAS mit Intel® Core™ S Prozessoren der 12. Generation bietet beispielsweise die nötige Leistung für vielseitige Anwendungen in den Bereichen Netzwerktechnik, Automatisierung, Messtechnik und Medizintechnik, die grafikintensive und leistungsstarke Rechenprozesse erfordern. Auch das COM-HPC/Clientmodul COMh-caRP in Industriegröße A, ausgestattet mit Intel® Core™ Prozessoren der 13. Generation, bis zu 64 GB DDR5-RAM und bis zu 2,5-GbE-Ethernet mit TSN-Unterstützung, eignet sich für industrielle Anwendungen.
Kontrons Engagement für TSN geht über Intel-Prozessoren hinaus. Das lötbare System-on-Module (SoM) OSM-S i.MX8M Plus integriert einen leistungsstarken i.MX8M Plus Quad Arm®-Prozessor mit einem 1,6 GHz Quad-Core-KI-Prozessor, 64 GB eMMC-Speicher und 4 GB LPDDR4-RAM. Einer der beiden GbE-LAN-Anschlüsse unterstützt TSN – und das alles in einem kompakten 30 x 30 mm Formfaktor.
Von kleinsten Modulen bis hin zu Embedded-Box- und Panel-PCs, einschließlich der Rackmount-Industriesysteme der KISS V4 ADL-Familie und der Workstation KWS, deckt Kontrons Portfolio an industrieller Computerhardware mit erweiterten Temperaturbereichen und TSN-Funktionalität ein breites Spektrum an Anforderungen ab. Darüber hinaus bietet Kontron kundenspezifische Entwicklungen und Varianten und unterstützt Kunden bei der Umsetzung spezifischer Automatisierungsprojekte mit Kontron AIS.
Schlüsselkomponente: Ethernet-Switches.
Der Einsatz komplexer Lösungen in rauen Industrieumgebungen erfordert ein nahtloses Zusammenspiel von Hardware, Software und der Anbindung an Produktionssysteme. Diese perfekte Integration ist entscheidend für die erfolgreiche digitale Transformation in der Fertigungsindustrie. Daher sind industrielle Switches unverzichtbare Bausteine für effektive Industrie-4.0- und IIoT-Anwendungen.
Neben Boards, Modulen und Industriesystemen umfasst das Produktportfolio von Kontron auch industrielle Ethernet-Switches. Der KSwitch D10 MMT ist ein robuster und kostengünstiger Managed-TSN-Switch mit acht Ports, der für Hochgeschwindigkeits- und Gigabit-Netzwerke entwickelt wurde. Dieses Industriegerät verfügt über ein hochwertiges Metallgehäuse, das es widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse macht. Es arbeitet in einem breiten Temperaturbereich von -40 °C bis +75 °C und unterstützt einen erweiterten Versorgungsspannungsbereich von 12 bis 58 V DC. Der KSwitch D10 MMT verfügt über sechs Fast- und Gigabit-Ethernet-Ports mit RJ45-Anschlüssen sowie zwei zusätzliche Ports mit RJ45- und SFP-Glasfaserschnittstellen, die Geschwindigkeiten von bis zu 2,5 Gbit/s unterstützen. Er ist mit umfassenden TSN-Funktionen und Management-Optionen gemäß dem IEEE 802.1 TSN-Standard ausgestattet.
Durch die vollständige Integration von TSN in die Hardware, einschließlich Switches, vereinfacht Kontron die Bereitstellung konvergenter Ethernet-basierter Netzwerke. Diese Netzwerke ermöglichen deterministische, zeitsynchronisierte Kommunikation parallel zum regulären IT-Datenverkehr und schaffen so echte IIoT- oder Industrie-4.0-Umgebungen auf Basis gängiger Ethernet-Protokollstandards.
Reiner Grübmeyer, Leiter des Produktmanagements für Systeme und Software bei Kontron, erklärt: „Durch die vollständige Integration von TSN in unsere Hardware, einschließlich Switches, erleichtern wir es den Anwendern, konvergierte Ethernet-basierte Netzwerke einzusetzen, in denen deterministische, zeitsynchronisierte Kommunikationen parallel zum regulären IT-Verkehr laufen.“
Autor: Reiner Grübmeyer, Leiter Produktmanagement für Systeme und Software bei Kontron
