Zeitkritische Netzwerke unterstützen Ethernet-Anwendungen

Die zunehmende Digitalisierung von Produktionsprozessen erfordert immer mehr Offenheit, Robustheit, Determinismus und Flexibilität in der industriellen Kommunikation. Time Sensitive Networking (TSN) macht die Trennung von Netzwerken der Informationstechnologie (IT) und der Betriebstechnologie (OT) in Ethernet-Anwendungen überflüssig und bietet einen Ansatz für Synchronisation und präzises Timing für heutige industrielle Automatisierungssysteme.

Um den Anforderungen des Industriemarktes gerecht zu werden, kündigte Microchip mit dem SparX-5i eine neue Familie von Ethernet-Switches für industrielle Automatisierungsnetzwerke an.. In einem Interview mit embedded, Andy Ebert, Manager – Product Marketing bei Microchip, hob hervor, wie das Ziel von TSN mit zuverlässiger, standardbasierter Echtzeitkommunikation erreicht wird und wie dies die Zukunft von Ethernet sein würde.

“ Derzeit gibt es in der Fabrik getrennte IT- und OT-Netzwerke. TSN ermöglicht die Kombination dieser Netze. TSN mit Ethernet bietet eine Standardmethode für die Echtzeitkommunikation, die in Fabrikautomatisierungsnetzwerken benötigt wird, im Gegensatz zu aktuellen Methoden, die Kompatibilitätsprobleme haben und nicht auf die höheren Bandbreiten skaliert werden, die erforderlich sind, da immer mehr Geräte miteinander verbunden werden“, sagte Ebert.

Zeitkritisches Netzwerken (TSN)

Die Geschwindigkeit, mit der Fabriken und Werke das Paradigma der digitalen Transformation annehmen, macht es heute erforderlich, leistungsstarke, interoperable Netzwerke zu entwickeln, die Daten auf ihrem Weg von der Quelle zu den Managementsystemen, vom Feld in die Cloud unterstützen können.

Industrielle Protokolle, die Ethernet als Verbindungsmittel nutzen wollen, müssen die unterschiedlichen Prioritäten des Industrieverkehrs exakt beherrschen, was der Ethernet-Standard in seiner jetzigen Form nicht garantieren kann. „Die nächste Herausforderung besteht darin, die zunehmende Anzahl vernetzter intelligenter Geräte in industriellen Automatisierungsnetzwerken zu bewältigen“, sagte Ebert.

Durch die Implementierung von Systemen mit Echtzeitfähigkeiten können Unternehmen ihre Prozesse weiter verfeinern, um Qualität und Produktivität zu steigern und gleichzeitig Kosten zu senken. Die Technologie, die diese Vorteile bietet, ist das Time Sensitive Networking (TSN)-Protokoll.

TSN ist eine Erweiterung von Industrial Ethernet, die deterministische Kommunikation durch genaue Zeitsynchronisierung und Verkehrsplanung unterstützt. Diese Mechanismen bilden die Grundlage für die Konvergenz, die erforderlich ist, um das erforderliche Maß an Transparenz zu gewährleisten.

Ethernet-Switches

Mit der Nachfrage nach präzisem Timing und Synchronisation in industriellen Automatisierungssystemen wurde oft die Verwendung von proprietären Multi-Chip-Lösungen erforderlich, was sowohl die Komplexität als auch die Kosten für Entwickler erhöht.

Um den Entwicklern zu helfen, kündigte Microchip den SparX-5i an, eine auf dem IEEE-Standard basierende Single-Chip-Ethernet-Switch-Familie, die das umfassendste TSN-Feature-Set der Branche bietet. Die SparX-5i-Familie unterstützt die wichtigsten TSN-IEEE-Standards wie IEEE 1588v2 und IEEE 802.1AS-REV-Profil für die Zeitsynchronisation, IEEE 802.1Qbv für Traffic Shaping, IEEE 802.1Qbu/802.3br für Delay-Reduction, IEEE 802.1Qci für Stream Policing und IEEE 802.1CB für nahtlose Redundanz. Darüber hinaus unterstützt die Familie Standard-L2/L3-Ethernet mit bis zu 200G Bandbreite, einschließlich 100M-, 1G-, 2.5G-, 5G-, 10G- und 25-GbE-Schnittstellen für die flexibelste Konnektivitätslösung auf dem Markt.

Ob in der Automobil- und Maschinenbauindustrie oder in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, TSN bietet entscheidende Vorteile für die industrielle Fertigung, darunter Bandbreitenreservierung, Quality of Service (QoS) Mechanismen, geringe Latenz und parallele Übertragung mehrerer Protokolle – auch in Echtzeit und ohne proprietäre Erweiterungen des Standards wie bei Ethernet. Das TSN-Protokoll führt verschiedene Verkehrsklassen ein, die sich dieselbe Verbindung teilen, reserviert Ressourcen für Datenflüsse mit deterministischen Eigenschaften im Laufe der Zeit und ermöglicht ein gemeinsames Netzwerk, das mehrere Kommunikationsstandards wie die nächste 5G-Mobilkommunikation unterstützt.

TSN über 5G

Die andere große Neuigkeit im industriellen Bereich ist das Aufkommen von 5G. Zum ersten Mal hat eine drahtlose Kommunikationslösung das Zeug zu einer Referenzlösung selbst für die Fertigungswelt, in der Echtzeitanwendungen eine deterministische und zuverlässige Netzwerkleistung erfordern.

„Die neuesten 5G-Standards unterstützen Kommunikation mit geringer Latenz, wodurch TSN über Mobilfunknetze möglich wird. Es ist eine Herausforderung, TSN über 5G zu betreiben, da mobile Geräte von Mobilfunkstandort zu Mobilfunkstandort wechseln. Dies kann die Konnektivität unterbrechen und die Latenz und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Lokale, private 5G-Netze (z. B. in einer Fabrikhalle) könnten von TSN-Protokollen profitieren“, so Ebert.

Es ist also möglich, dass 5G und TSN in naher Zukunft in einer Fabrikhallen-Implementierung der Zukunft koexistieren, in der die wichtigsten Konnektivitätsanforderungen erfüllt sind:5G für Flexibilität und TSN für extrem niedrige Latenzzeiten.