Inhaltsverzeichnis
1. Time-Sensitive Networking
2. Ethernet/IP mit TSN
3. Alle kritischen Anforderungen werden erfüllt
4. ODVA unterstützt CIP
Die IT/OT-Konvergenz verändert derzeit den Status quo noch einmal, da neben dem bestehenden Steuerungsverkehr erhebliche Mengen an Diagnosedaten von den niedrigsten bis zu den höchsten Ebenen des Netzwerks kommuniziert werden müssen. TSN bezeichnet eine Reihe von Standards für die Übertragung von zeitsensitiven Daten über industrielle Ethernet-Netzwerke. Es stellt eine praktische Option dar, um die Anforderungen zeitkritischer Anwendungen zu erfüllen, Flexibilität im Netzwerkdesign zu integrieren und die Zukunft mit Industrie 4.0 und IIoT zu planen. Über ihre Mitglieder trägt die ODVA derzeit zur Arbeitsgruppe IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation bei. Diese wählt die TNS-Mechanismen aus, die für die industrielle Automatisierung verwendet werden. Die ODVA kennt die große Bedeutung von TSN und arbeitet aktiv innerhalb der Organisation an der Anpassung von Ethernet/IP für TSN mit.
Time-Sensitive Networking
TSN im Industriebereich wird aus einer Untergruppe von IEEE-802.1-Standards bestehen, bekannt als IEC/IEEE 60802 TSN Profile for Industrial Automation, die sich derzeit im Auswahl- und Genehmigungsprozess befinden. Ziel ist es, eine übergreifende Gruppe von TSN-Standards auf Datenverbindungsebene zu schaffen, die eine erhöhte Netzwerk-Interoperabilität auf der gesamten Anwendungsebene ermöglicht. Dies bedeutet, dass der Ethernet/IP-, Profinet- und OPC-UA-Datenverkehr in einem Netzwerk koexistieren und die gleichen Quality-of-Service-Aspekte mit zusätzlichen gemeinsamen Zeit- und Priorisierungsoptionen berücksichtigen können. Datenpakete mit gemeinsamen Headern und standardisierten Prioritätsstufen machen dies möglich. Nach der endgültigen Freigabe wird TSN die Priorisierung zeitkritischer Daten in industriellen Netzwerken ermöglichen, basierend auf spezifischen Regeln und Methoden, die von TSN-fähigen Netzwerk-Switches und Bridging-Vorrichtungen sichergestellt werden.
Die Zeitbasis ist ein wichtiger Aspekt bei TSN, da die Masterzeit von speziell dafür vorgesehenen Geräten, den sogenannten Grandmaster Clocks, angegeben werden muss. Andere Geräte müssen in der Lage sein, sich mit der Masterzeit zu synchronisieren, ähnlich wie die Zeitbasis, die nach IEEE 1588 angezeigt wird. Geräte, die TSN nicht unterstützen, können im gleichen Netzwerk eingesetzt werden, dürfen jedoch nur Endknoten oder Engineering-Tools sein. TSN verwendet 802.1AS, das einen Peer-to-Peer-Zeitverzögerungsmechanismus implementiert und ein Profil des IEEE 1588 Precision Time Protocol ist. CIP Sync verwendet einen End-to-End-Zeitverzögerungsmechanismus und ist das Standardprofil im IEEE 1588 Precision Time Protocol. CIP Sync hat den Vorteil, dass nicht alle Geräte, die von der Grandmaster Clock zur normalen Uhr Zeit verbrauchen, zeitkritisch sein müssen. CIP-Sync- und TSN-Zeitprofile sind ausreichend präzise, um den Anforderungen der industriellen Automatisierung heute und in der Zukunft gerecht zu werden und können über ein dediziertes Gerät ineinander überführt werden.
Die TSN-Priorisierung von Daten kann innerhalb von Ethernet-Bridges je nach Anwenderinbetriebnahme auf unterschiedliche Weise erfolgen. Die Grafik der IEEE 802.1 Qbv-Warteschlangenstruktur zeigt ein Beispiel für die TSN-Priorisierung mit einigen der wichtigsten Priorisierungsmechanismen:
- Shapers – Wie beispielsweise strenge Quality-of-Service-Priorität und Credit-based Shaper. Diese Algorithmen geben dem Datenverkehr mit hoher Priorität Vorrang. Diese Mechanismen selbst sind zwar nicht neu, neu ist jedoch die gemeinsame Sprache, um sie zu konfigurieren.
- Preemption – Unterbrechung einer bestehenden Paketübertragung, um Daten mit höherer Priorität durchzulassen.
- Scheduled Traffic – Die Möglichkeit, die Übertragung zu steuern, basierend auf dem Aktivieren und Deaktivieren von Switch-Warteschlangen in einem konfigurierten zeitbasierten Plan.
Diese wichtigen TSN-Priorisierungsmechanismen verfügen zudem über Begleittechniken, die helfen, ein Lösungsset bereitzustellen, darunter:
- Ingress Policing – Kenntnis und Kontrolle des erwarteten eingehenden Datenverkehrs an einem Port, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass ein korrumpiertes oder fehlerhaftes Gerät den allgemeinen Netzwerkdeterminismus beeinträchtigt.
- · Frame Replication and Elimination for Reliability – Layer-2-Redundanz, die mehrere virtuelle Pfade auf physikalisch getrennter Infrastruktur in einem Netzwerk mit aktiver Topologie-Steuerung verwendet.
Ethernet/IP mit TSN
Die Hauptvorteile von Ethernet/IP als weit verbreitetes, objektorientiertes und anbieterübergreifendes interoperables Netzwerk bleiben mit der zusätzlichen Unterstützung durch TSN erhalten. Es wird eine neue Ebene der Interoperabilität möglich sein, da andere Implementierungen von Kommunikationsnetzen auf Ethernet besser und einfacher koexistieren können. Darüber hinaus bleiben der hohe Standardisierungsgrad, die Nutzung von TCP/IP und die Verwendung kommerzieller Standard-Hardware bestehen. Zudem wird Ethernet/IP weiterhin in einer Vielzahl von Technologien wie HTTP, FTP, SNMP und DHCP zum Einsatz kommen, um ein Endgerät besser mit der breiteren Infrastruktur zu verbinden. Die ODVA wird auch in Zukunft CIP Motion und CIP Sync unterstützen, auch mit der Einführung von TSN. Eine entsprechende Time-Gateway-Funktion ist geplant, damit CIP-Motion- und CIP-Sync-Geräte über TSN-Netze hinweg interagieren können.
Alle kritischen Anforderungen werden erfüllt
Die höhere Geschwindigkeit und größere Bandbreite, die höhere Anzahl an Knoten, die verbesserte Diagnose sowie die einfachere vertikale Integration von Ethernet haben zu einem Paradigmenwechsel bei industriellen Netzwerken geführt. Damit wurden die Voraussetzungen für Lösungen wie Ethernet/IP geschaffen, um den Fertigungsdurchsatz zu verbessern und die Engineering-Zeit zu verkürzen. Zeitlich hochsensible Anwendungen, die mehr Determinismus erforderten, führten zur Entwicklung von Netzwerkerweiterungen wie CIP Motion und CIP Sync. Mit Industrie 4.0 und IIoT werden den Netzwerken jetzt große Datenmengen von der Werkshalle zu Edge-Geräten und/oder der Cloud und zurück in regelmäßigen Abständen für Systemanalyse- und Prognosezwecke hinzugefügt. Zusammen mit bestehenden Netzwerkerweiterungen sind die TSN-Standards für das Senden zeitkritischer Daten über das industrielle Ethernet ein pragmatischer Weg, um den Anforderungen hochdeterministischer Anwendungen gerecht zu werden, das Netzwerkdesign zu erweitern und die durch IT- und OT-Konvergenz verursachten erheblichen zukünftigen Steigerungen des Datenverkehrs zu planen. Ethernet/IP wird auch in Zukunft alle kritischen Anforderungen an industrielle Kommunikation und Steuerung erfüllen sowie Interoperabilität und Leistungsgarantie für hoch entwickelte Anwendungen mit TSN bieten. ge
Weitere Details im Dokument:
ODVA, Inc.
Ann Arbor, Michigan USA
Tel.: +1 734 975 8840
E-Mail: odva@odva.org
Website: www.odva.org
PLUS
ODVA unterstützt CIP
Die ODVA sieht ihre Aufgabe darin, offene und kompatible Informations- und Kommunikationstechnologien in der Automatisierungstechnik zu fördern. Zu ihren Standards zählen das medienunabhängige Netzwerkprotokoll Common Industrial Protocol oder CIP sowie industrielle Kommunikationstechnologien, u. a. Ethernet/IP, Devicenet und mehr. Um die zukünftige Interoperabilität der Produktionssysteme und ihre Integration mit anderen Systemen zu gewährleisten, befürwortet ODVA die Übernahme von COTS-Lösungen (commercial-off-the-shelf/kommerziell und serienmäßig produziert) und standardmäßigen Internet- und Ethernet-Technologien als Leitprinzip.
