Industrie 4.0 Echtzeitfähiges Ethernet wird Standard

Autor / Redakteur: Zeljko Loncaric, Marketing Engineer, congatec AG / Andreas Leu

Industrie 4.0 stellt hohe Anforderungen an die industrielle Kommunikation. Moderne Technologien verlangen nach Cloud-Konnektivität und setzen auf den vertikalen Datenaustausch.

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Die Kernfunktionen des Ethernet Standards Time Sychronized Networking umfasst die Zeitsynchronisation, das Traffic-Scheduling sowie die Systemkonfiguration von Master- und Slave-Devices.
Die Kernfunktionen des Ethernet Standards Time Sychronized Networking umfasst die Zeitsynchronisation, das Traffic-Scheduling sowie die Systemkonfiguration von Master- und Slave-Devices.
(Bild: congatec AG)

Obwohl Feldbusse als industrielle Kommunikationssysteme auch in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen werden, sind sie im Rahmen der industriellen IoT- und Industrie 4.0 Kommunikation weniger bedeutend. IoT- und Industrie 4.0 angebundene Automatisierungs- und Prozesssteuerungstechnik setzt nämlich hohe Anforderungen an Bandbreite und Performance, verlangt nach Cloud- und Fog-Konnektivität am Edge und setzt auf den vertikalen Datenaustausch bis in die obersten Level der Automatisierungspyramide. Die gestiegenen Ansprüche haben deshalb schon in der Vergangenheit dazu geführt, dass die etablierten Feldbussysteme als ehemals wichtigstes industrielles Kommunikationssystem von einer neuen, „zweiten“ Feldbus-Generation, dem Industrial Ethernet, abgelöst wurden.

Es existieren jedoch verschiedene proprietäre Lösungen, die untereinander nicht kompatibel sind. So kann die Entscheidung für eines der proprietären Industrial-Ethernet-Systeme zu lizenzbedingten Nachteilen und Einschränkungen bei der nahtlosen Vernetzung von Fabriken führen, denn es war auch hier zumeist immer ein spezieller Industrial Ethernet Controller in Form dedizierter Hardware erforderlich.

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Vom Ethernet zum Industrial Ethernet

Die Fähigkeit zur Echtzeitkommunikation, unterteilt in Echtzeitklassen mit unterschiedlichen Anforderungen an Reaktionszeiten, stellte jedoch eine große Herausforderung für die Entwickler der zweiten Feldbus-Generation dar. Denn trotz seiner vergleichsweise hohen Übertragungsraten überträgt das herkömmliche „IT-Ethernet“ nach IEEE 802.3 nicht deterministisch.

Harte Echtzeit

Um dieses Echtzeit-Betriebsverhalten zwischen den einzelnen Knoten umzusetzen, wurde in den verschiedenen Industrial-Ethernet-Varianten bisher vornehmlich auf proprietäre Hardware oder spezifische Prokollerweiterungen gesetzt. OEMs suchen jedoch nach interoperablen Standards zur Echtzeit-Ethernet-Kommunikation – vor allem auch wegen des Trends hin zu IIoT- und Industrie 4.0 vernetzen Fabriken. Zudem werden taktile Internet-Anwendungen ein wichtiges neues Anwendungsgebiet, die durch die Verfügbarkeit von 5G-Technologien und 10+ GbE-Netzwerken in Fabrikhallen, autonomen (Logistik-)Fahrzeugen sowie auch Energie-Netzen ermöglicht werden.

Taktiles Echtzeit-Internet mit TSN

Dieses Ziel rückt nun zunehmend in greifbare Nähe. Innerhalb der IEEE 802.1 Working Group hat nämlich die eine Task Group namens „Time Sensitive Networking“ (TSN) daran gearbeitet, die Echtzeiteigenschaften in kommerziellen Netzwerken zu verbessern. Diese Lösung ist industrietauglich geworden, indem IEEE 802.1AS als PTP-Basis für harte Echtzeitanwendungen bereits in den Standard I210 und I219 Ethernet-Controller von Intel integriert wurde und damit als Standardkomponente verfügbar ist.

congatec setzt den I210 beispielsweise auf einem Pico-ITX Board mit Intel Atom E3900 Prozessoren ein und hat die Integration des Time Sensitive Networking (TSN) Protokoll konform der IEEE 1588 Precision Time Protocol Spezifikation auch bereits als Proof-of-Concept (PoC) umgesetzt. Durch diese Integration wird auch die Echtzeitfähigkeit in den oberen Schichten der Kommunikationsprotokolle sichergestellt, um beispielsweise Lösungen wie MQTT, DDS oder OPC UA und weiterer industrieller Ethernet-Protokolle unterstützen zu können. Der PoC umfasst mehrere conga-PA5 Pico-ITX Boards, die als Ethernet-Grundlast eine hochauflösende Videodatei streamen und zusätzlich echtzeitkritische Daten generieren und parallel übertragen. In der Demo kann über einen digitalen Switch die IEEE 1588 Precision Time Protocol Synchronisation zu oder abgeschaltet werden, um den Unterschied des Kommunikationsverhaltens von verteilten Devices und Fog-Servern über Ethernet zu messen und darzustellen. Der PoC belegt, dass sich der maximale Jitter trotz hoher Netzlast auf den hoch präzisen Nanosekundenbereich absinken lässt. Das taktile Internet kann also kommen.

congatec.com

Wegbereiter für Echtzeitapplikationen

Mit den kommenden 5G-Technologien und der Einführung von 10+ GbE-Netzwerken in der Fabrikhalle ist Echtzeitdatenverarbeitung für OPC-UA und weitere taktile Internet-Anwendungen ein wichtiges neues Anwendungsgebiet. Die Time-Sensitive Networking (TSN)-Technologie ist ein Wegbereiter für diese vernetzten Echtzeitapplikationen, die auch Auswirkungen auf bislang etablierte proprietäre Industrial Ethernet Installationen haben wird.

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