Die unglaublichen Fortschritte im Bereich der maschinellen Intelligenz und der Robotik in den letzten Jahren haben den Fortschritt in der Automatisierung vorangetrieben, insbesondere in der industriellen Automatisierung und in der Automobilsteuerung.

Entdecken Sie, wie sich Automatisierungsnetzwerke verändern

TSN (Time Sensitive Netwoorking) bietet viele Vorteile für moderne industrielle Automatisierungsnetzwerke, da es eine hohe Bandbreite und eine zuverlässige, verlässliche Echtzeitkommunikation ermöglicht.

Warum TSN?

TSN kann für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, nicht nur wegen der technologischen Vorteile, sondern auch wegen der niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO). Der Austausch vorhandener Switches durch TSN-Switches kann zusätzliche Kosten verursachen, die jedoch in der Regel geringer sind als die Kosten für die Duplizierung von Netzwerken und die Wartung der zusätzlichen Netzwerke.

In Automatisierungsnetzen ermöglicht TSN die Konvergenz zahlreicher kleiner, nicht verbundener Netzwerke zu einer einheitlichen Netzwerkstruktur. Dieses neue Netzwerk kann den Anforderungen der Echtzeitkommunikation in größerem Umfang gerecht werden und bietet gleichzeitig mehr Übertragungsbandbreite für Hintergrunddaten. Schauen Sie sich einige Anwendungsfälle an, die die Vorteile der Netzwerkkonvergenz in verschiedenen Branchen zeigen.

Entdecken Sie unser TSN-fähiges Portfolio

Belden ist bestrebt, die TSN-Technologie weiterzuentwickeln und Industrial Ethernet Switches mit höchstmöglichen Qualitätsstandards zu liefern. Entdecken Sie unser ständig wachsendes Portfolio an TSN-fähigen Geräten und Software-Lösungen, die eine zuverlässige, herstellerunabhängige Kommunikation gewährleisten.

Der Wandel der industriellen Automatisierung

Die Märkte für industrielle Automatisierung werden durch den Übergang von Industry 3.0 zu Industry 4.0 oder der intelligenten Fabrik, einem Teil des industriellen Internets der Dinge (IIoT), angetrieben. Dieser Übergang wird gemeinhin als Wechsel von der Automatisierungspyramide zur Automatisierungssäule dargestellt.

Das Pyramidenmodell, dem die Industrie seit mehreren Jahrzehnten folgt, trennt die funktionalen Schichten von der Fabrikhalle (der Feldebene) bis zu den Managementsystemen an der Spitze streng voneinander. Die Datenkommunikation in Echtzeit erfolgt in der Regel auf der Feldebene, wo sich Sensoren und Aktoren befinden, sowie zwischen der Feld- und der Steuerungsebene.

Die Automatisierungssäule in einer IIoT (Industrie 4.0)-Produktionsumgebung hat immer noch eine Feldebene in der Fabrikhalle, aber die Gesamtzahl der Sensoren auf der Feldebene ist drastisch höher, um eine viel genauere Analyse und Kontrolle der Fertigungsfunktionen zu ermöglichen.

In der Automatisierungssäule wird die Steuerungsebene überflüssig. Ein Teil der Steuerungsfunktionen wandert in die Feldebene als dezentrale Steuereinheiten, die für extrem schnelle und zuverlässige Reaktionen, z. B. bei Sicherheitsfunktionen, eingesetzt werden. Andere Steuereinheiten ziehen als zentrale Steuereinheiten („virtuelle SPS“) in die Managementebene (Factory Backbone) ein.

Virtuelle Steuerungsfunktionen oder virtuelle speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die in der lokalen Automatisierungs-Cloud gehostet werden, interagieren über die Konnektivitätsschicht direkt mit dem Produktionsprozess. Die Virtualisierung der SPS bietet ein Höchstmaß an Flexibilität; sie können hinzugefügt und entfernt werden, und die Rechenleistung kann dort zugewiesen werden, wo sie am meisten benötigt wird. Die Anwendungen im Backbone der Fabrik müssen sich nicht einmal in der Nähe der Anwendungen auf der Feldebene befinden. Sie können sich an einem beliebigen Standort befinden: in der IT-Abteilung oder auch in einem weit vom Werk entfernten Rechenzentrum, je nachdem, welche maximale End-to-End-Latenz (Verzögerung) die Anwendungen zulassen. Diese Flexibilität in den Kontrollprozessen bedeutet auch Flexibilität im Produktionsprozess.

Zwischen der Feldebene und dem Backbone der Fabrik befindet sich eine Konnektivitätsebene. Sowohl auf der Feldebene als auch auf der Verbindungsebene sind Hochgeschwindigkeitsnetze mit geringer Latenzzeit erforderlich. Darüber hinaus führt die Verbindungsschicht den Hintergrundverkehr mit niedrigerer Priorität so, dass der zeitkritische Verkehr nicht verlangsamt wird. Hier kommt TSN ins Spiel.

ABBILDUNG: Der Übergang von der Automatisierungspyramide zur Automatisierungssäule.

Erkennen der Notwendigkeit von TSN in der IIoT-Umgebung

Die Konnektivitätsebene in der Automatisierungssäule kann als Informations-Superhighway zwischen dem Fabrik-Backbone und der Feldebene betrachtet werden. Der Verkehr besteht aus unternehmenskritischen und weniger dringenden Daten. Die Konnektivitätsebene muss den gesamten Datenverkehr an seinen Bestimmungsort leiten, aber unternehmenskritische Daten haben höchste Priorität und müssen ihr Ziel rechtzeitig erreichen. Beim Aufbau eines Netzwerks, das sowohl dringenden als auch nicht dringenden Verkehr befördern soll, haben Sie vier Möglichkeiten:

• Die Nutzung von TSN ermöglicht, dass dringende und weniger dringende Daten die Netzverbindung gemeinsam nutzen können. Darüber hinaus wird verhindert, dass weniger dringender Traffic den Fluss des kritischen Datenverkehrs behindert.
• Aufbau separater Netzwerke für die verschiedenen Anwendungen – eine sehr kostspielige Option.
• Die Überdimensionierung der Netzwerkinfrastruktur ist eine weit verbreitete, aber extrem teure Methode. Sie wird auch als Bandbreiten-Überprovisionierung bezeichnet.
• Verzögerungen beim unternehmenskritischen Datenverkehr in Kauf nehmen, was in der Regel keine praktikable Option ist.

Von diesen vier Möglichkeiten ist die erste Option – die Nutzung von TSN – die beste Wahl.

TSN – eine neue Evolution in der unternehmenskritischen Netzwerktechnik

In hochautomatisierten Systemen ist die Kommunikation in Echtzeit von grundlegender Bedeutung und oft unerlässlich. Stellen Sie sich ein selbstfahrendes Auto vor, das zögert, für einen Fußgänger auf der Straße zu bremsen, oder Roboter an einem Fließband, die Anweisungen nur mit Verzögerung von dem Computer erhalten, der ihre Bewegungen synchronisiert.

Verschiedene Echtzeit-Kommunikationstechnologien, darunter EtherCAT, PROFINET IRT und Sercos III werden zur Gewährleistung von zeitnaher Kommunikation eingesetzt. Sie weisen jedoch Kompatibilitätsprobleme auf und bieten, wenn überhaupt, nur begrenzte Unterstützung für zukünftige Erweiterungen, wie z. B. eine höhere Bandbreite.

Die zeitsensitive Vernetzung überwindet diese Einschränkungen und bietet die folgenden drei wesentlichen Vorteile:

• Zuverlässige Kommunikation in Echtzeit
• Hohe Bandbreite zur Bewältigung der großen Menge an Sensor- und Hintergrunddaten, die über Automatisierungsnetzwerke fließen
• Abwärtskompatibilität zu Ethernet-Geräten

TSN – Zukunftssichere Ethernet-Netzwerke

TSN bringt IEEE* 802 Ethernet auf die nächste Stufe, um die Anforderungen heutiger und zukünftiger Automatisierungsnetzwerke zu erfüllen. TSN bietet eine beispiellos niedrige End-to-End-Latenz sowie eine Übertragungspräzision mit sehr geringem Jitter, die alles übertrifft, was mit standardisierter IEEE 802.1-Technologie jemals möglich war. Die Standardisierung in IEEE 802.1 und IEEE 802.3 gewährleistet die Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern, einen breiten Marktumfang, Skalierbarkeit bei künftigen Geschwindigkeitssteigerungen im Ethernet und Investitionssicherheit.

* Institute of Electrical and Electronics Engineers

Seit der Gründung der Field Level Communications (FLC) Initiative in der OPC Foundation im November 2018 ist klar: Die Technologiekombination aus OPC UA und IEEE TSN als herstellerneutrale Kommunikationstechnologie findet nicht nur in der Theorie, sondern auch in der technischen Umsetzung breite Unterstützung. Belden hat diese Entwicklung von Anfang an unterstützt.

• Belden ist ein Pionier im Bereich TSN Industrial Ethernet und definiert die Grenzen dieser Technologie ständig neu.
• Belden zeichnet sich durch Zeitsynchronisation aus. Hirschmann-Switches werden in den anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt, die ein präzises Timing erfordern.
• Die Netzwerkmanagement-Softwarelösungen von Belden ermöglichen die Kombination und den Betrieb moderner LLOT-Netzwerke.

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