Why Deterministic Control Is Essential for Modern Systems

05
Juli

Der akkumulierende Fall für deterministische Kontrolle

• Von:Brian McMorris
• EtherCat
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Von Dave Perkon, Technischer Redakteur
Nachdruck aus Control Design, 27. Juni 2019

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulated-case-for-deterministic-control/

Was müssen Maschinenbauer, Systemintegratoren und Hersteller über Time-Sensitive Networking (TSN) wissen? Im einfachsten Sinne ist es besseres Ethernet.

Wo es früher viele Netzwerke und Gateways gab, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen, werden deterministische Steuerung und Informationen über ein einziges Kabel erfolgen.

Neben einer besseren Leistung wird es auch einfach zu bedienen sein, aber die Integratoren und Endbenutzer unterstützen gerne aktuelle Lösungen.

„Ich glaube nicht, dass TSN die Dinge für Integratoren, die sich mit fortschrittlicher Fertigung und Robotik befassen, komplizierter machen wird“, sagt Brian D. McMorris, Präsident von Futura Automation in Scottsdale, Arizona. „Wir sind ein Fabrikintegrator. Wir wissen nicht viel über die IT-Welt, aber unsere Unternehmensstruktur und -vision ist auf Industrie 4.0 ausgerichtet, von der ein Großteil in der Fabrikhalle umgesetzt wird. Beispielsweise sind wir mit der Tulip Interface-Softwarelinie auf Anwendungsebene in der Welt der Manufacturing Execution System (MES) tätig. Wir bieten Außendienstfunktionen und unterstützen Kunden bei der Implementierung der Vorteile eines MES, computergestützter Wartungsmanagementsysteme (CMMS) und Qualitätsmanagementsysteme (QMS).“

Futura arbeitet mit der IT hauptsächlich auf der Sicherheitsseite zusammen, was seine cloudbasierte Lösung und die Art und Weise betrifft, wie die Cloud-Apps gesichert werden. „Ich bin mir sicher, dass es gut wäre, wenn IEEE ein von einem Unternehmen gesponsertes Protokoll wie EtherCAT übernimmt und es unter der Schirmherrschaft eines Branchenverbandes in einen globalen offenen Standard umwandelt, aber ich sehe heute keine wirklichen Mängel von EtherCAT, abgesehen von den Lizenzkosten pro Gerät für seine Nutzung“, sagt McMorris.

Während McMorris Entwicklungen in der Netzwerktechnologie unterstützt, sieht er bei EtherCAT keine großen Einschränkungen. „Wir verwenden EtherCAT mit unseren Servotronix-Antrieben für die Mehrachsensteuerung unserer Roboter mit offenem Design – kartesisch und Delta“, sagt er. „Es ist ein sehr schnelles proprietäres Netzwerk mit Jitter von deutlich weniger als 1 Mikrosekunde, aber es ist nur für bestimmte harte und weiche Echtzeit-Computing-Anforderungen in der Automatisierungstechnik geeignet.“

Doug Putnam-Pite, director of software development at Owens Design in Fremont, California, appreciates that proprietary networks such as EtherCAT and CC-Link IE provide real-time communications, but he also acknowledges their limitations. „Der Nachteil dieser Technologien ist, dass sie nur mit Steuergeräten funktionieren, die das Protokoll unterstützen“, sagt Putnam-Pite. „Das bedeutet, dass Sie keine Geräte im selben Netzwerk haben können, die das Protokoll nicht unterstützen. Diese Feldbusnetzwerke müssen von allen anderen Ethernet-Netzwerken im Tool getrennt werden.“

TSN ermöglicht möglicherweise Geräten, die derzeit nicht in Echtzeit kommunizieren können, dies. „Zeitkritische Netzwerke bieten Integratoren mehr Möglichkeiten bei der Gestaltung von Steuerungssystemen“, sagt Putnam-Pite. „Ein Werkzeug mit einem zeitkritischen Netzwerk ist möglicherweise in der Lage, die Steuerung zu dezentralisieren, sodass einzelne Geräte in Echtzeit direkt miteinander kommunizieren können, sodass ein gewisses Maß an Steuerung von einem zentralen Werkzeugcontroller entlastet werden kann. Darüber hinaus können PCs möglicherweise in Halb-Echtzeit mit zeitkritischen Netzwerkgeräten kommunizieren.“

Fortschrittsbericht

„Damit Maschinenbauer, Systemintegratoren und Hersteller TSN einsetzen können, muss es in industrielle Automatisierungsprotokolle integriert und von einer ausreichend großen Anzahl von Anbietern unterstützt werden, um ein System zusammenzustellen“, sagt Paul Didier, TSN-Testbed-Koordinator beim Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org) und Lösungsarchitekt für das Internet der Dinge bei Cisco. „Das ist noch nicht der Fall, aber die Branche arbeitet hart daran, dieses Ziel zu erreichen (Abbildung 1).“

Abbildung 1:Das Testen der zahlreichen Teile von TSN ist bei vielen Branchenführern in den Bereichen Netzwerk, Automatisierung und Elektronik in vollem Gange.
(Quelle:Industrial Internet Consortium)

Derzeit wird daran gearbeitet, den Satz von etwa 12 IEEE 802-Standards zu definieren, die auf den für TSN erforderlichen Determinismus und die Dienstqualität abzielen, sagt Dr. Al Beydoun, Präsident von ODVA (www.odva.org). „Darüber hinaus muss die Interoperabilität gewahrt bleiben. Die Fertigstellung des IEC/IEEE 60802-Industrieprofils für TSN ist von entscheidender Bedeutung und wird für Mitte 2021 angestrebt“, sagt er. „In der Zwischenzeit werden Aktualisierungen von Netzwerkspezifikationen wie der EtherNet/IP-Spezifikation erst dann finalisiert, wenn der zugrunde liegende Standard von TSN finalisiert ist.“

Standard-Ethernet ist von Natur aus nicht deterministisch, sagt Michael Bowne, Geschäftsführer von PI North America. „Zeitkritische Netzwerke sind ein Toolkit aus etwa zwei Dutzend IEEE-Standards, die standardisiertes deterministisches Ethernet schaffen“, erklärt er. „Da jetzt auch andere Branchen außerhalb der industriellen Automatisierung an deterministischem Ethernet interessiert sind, gibt es einen größeren Markt für die Hardware. Die Idee ist, dass diese Technologie irgendwann über kommerzielle Standardchips (COTS) verfügbar sein wird. Von den IEEE-Standards in der TSN-Toolbox haben wir etwa ein halbes Dutzend identifiziert, die für die industrielle Automatisierung besonders relevant sind. Diese Standards adressieren den Determinismus mit Funktionen wie Synchronisation, geringer Latenz, hoher Verfügbarkeit und Robustheit.“

Es ist wichtig, den richtigen Standard zu finden, und das wird Zeit brauchen. „Wie oben erwähnt, ist TSN eine Toolbox aus vielen verschiedenen Standards und nicht nur einer Sache“, sagt Bowne. “Some are relevant to industrial automation, and some are not. To ensure that we don’t end up with different flavors of TSN in industrial automation, an effort has been started known as IEC/IEEE 60802. It is currently staffed by engineers from automation vendors big and small to ensure harmonization across companies.”

The digital factory demands inter-operability and simplicity in communications, says Armando Astarloa Cuéllar, CEO, system-on-chip engineering, at Relyum. „TSN ist das Ethernet der neuen Generation, das speziell für diese Anforderungen entwickelt wurde“, sagt er. Obwohl die Einführung von TSN je nach Branche schrittweise erfolgen wird, übernehmen einige kritische Branchen wie der Eisenbahn-, Automobil- oder Luft- und Raumfahrtbereich TSN als Standard-IT/OT-Netzwerk in ihren neuen Plattformen.

Warum sollten Sie sich für TSN interessieren?

„Aus Sicht des Benutzers ist der Status zeitkritischer Netzwerke derzeit etwas ins Stocken geraten“, sagt Paul Brooks, Business Development Manager für Netzwerke – IIPA, globale Standards, OPC und zeitkritische Netzwerke bei Rockwell Automation. „Die TSN-Standards in IEEE 802 wurden veröffentlicht, sie bieten jedoch nur Interoperabilität auf Funktionsebene, nicht auf Systemebene“, sagt er. „Aus Sicht der Anbieter entwickeln wir als Industrieautomatisierungsgemeinschaft daher IEC/IEEE 60802, das das industrielle Automatisierungsprofil für TSN festlegen wird, um diese Interoperabilität auf Systemebene bereitzustellen.“

Erst wenn diese Standards gesperrt werden, können Protokollorganisationen wie ODVA dieses Profil in Spezifikationen veröffentlichen, fährt Brooks fort. „Einige Unternehmen haben Vorstandardprodukte auf den Markt gebracht, und obwohl sie einen Mehrwert für den Benutzer bieten, gibt es keine Garantie dafür, dass diese Produkte mit dem endgültigen Standard kompatibel sind“, sagte er.

Im November 2018 kündigte die OPC Foundation die Field Level Communication-Initiative an, die von einer sehr breiten Palette von Industrie- und IT-Akteuren unterstützt wird:ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens und andere, sagt Didier von Cisco. „Die Vision besteht darin, eine offene, einheitliche, auf Standards basierende IIoT-Kommunikationslösung zwischen Sensoren, Aktoren, Steuerungen und der Cloud anzustreben, die alle Anforderungen der industriellen Automatisierung erfüllt“, sagt er. „Die Initiative wird die Arbeit des OPC zur Pub/Sub- und TSN-Kommunikation einbeziehen (Abbildung 2).“

Abbildung 2:Durch die TSN-Kommunikation mit OPC UA können Steuerungsanwendungen in einem offenen Standardnetzwerk mit einer Vielzahl anderer Datenverkehre und Anwendungen arbeiten – vom Sensor bis zur Cloud.
(Quelle:Hilscher)

Mit TSN können sich alle Steuerungsanwendungen auf ein offenes Standardnetzwerk verlassen. „Dieses Netzwerk kann auch eine Vielzahl anderer Arten von Datenverkehr und Anwendungen unterstützen. Diese Konvergenz und die Fähigkeit zur Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud sind die wichtigsten Verbesserungen“, sagt Didier.

„TSN ist darauf ausgelegt, deterministische Nachrichtenübermittlung und Echtzeitfähigkeit über Standard-Ethernet bereitzustellen, um die Kommunikation von Informationen in einer festen und vorhersehbaren Zeitspanne sicherzustellen“, erklärt Beydoun. “The key applications of TSN will be those requiring precision timing control and deterministic network behaviors. However, Ethernet TSN is desired in any industrial application where higher bandwidth and faster network response is desired as the case in network applications conveying audio and video information. TSN’s scalability will allow high-bandwidth streaming of packets with a guaranteed latency at higher Gigabit transfer rates.”

Warum brauche ich TSN?

„Viele Integratoren und Maschinenbauer stellen die Notwendigkeit von TSN in Frage und behaupten, dass das bestehende industrielle Ethernet und verwandte Protokolle wie EtherNet/IP, EtherCAT und Profinet ihre Anforderungen erfüllen. Daher ist ‚Warum brauche ich TSN?‘ eine häufige Frage“, sagt Bowne von PI North America. „Das stimmt, vor allem, weil viele der von TSN eingesetzten Techniken – Synchronisierung, Bandbreitenreservierung, Scheduling – bereits seit mehr als 15 Jahren in Profinet im Einsatz sind. Hätte es TSN damals gegeben, hätten wir es übernommen und uns viel Engineering-Aufwand erspart. Und doch hat Profinet es immer ermöglicht, dass Hochgeschwindigkeits-Steuerungsverkehr problemlos mit anderem Informationsverkehr koexistiert.“

Das exakt gleiche Prinzip gilt für TSN. Warum brauchen Sie es also? „Die Antwort ist subtil und hängt mit der Zukunft des Networkings zusammen“, sagt Bowne. „Während wir in den Bereich Industrie 4.0/Industrielles Internet der Dinge (IIoT) vordringen, werden immer mehr Informationen an Systeme auf höherer Ebene bereitgestellt. Irgendwann scheint es, dass es zu einer gewissen Abflachung des Purdue-Modells kommen könnte. Auch wenn TSN vielleicht nicht der Treiber dafür ist, kann es sicherlich eines der Werkzeuge sein, die dabei helfen, dies zu ermöglichen.“

Wir gehen davon aus, dass TSN in Zukunft sicherstellen wird, dass zeitkritischer – daher der Name – OT-Verkehr den erforderlichen Determinismus erhält, da IT-Protokolle immer mehr Bandbreite nutzen, selbst in Netzwerken, die mit anderem Best-Effort-IT-Verkehr belastet sind, erklärt Bowne. „Solange sie alle über eine gemeinsame TSN-Grundlage verfügen, können Hersteller mit der Implementierung konvergenter IT/OT-Netzwerke beginnen, ohne befürchten zu müssen, dass ihr OT-Verkehr auf Kosten des IT-Verkehrs geopfert wird“, sagt er. „Wir wollen diese langjährige Philosophie fortsetzen, weil wir davon überzeugt sind, dass wir das richtige Werkzeug für die richtige Aufgabe verwenden müssen:das Profinet-Protokoll zum Verschieben von Daten, andere Protokolle, zum Beispiel OPC UA, zum Verschieben von Informationen, alles über eine einzige Leitung.“

Die OT/IT-Integrations-Roadmap endet nicht in einer Zwischensituation mit einer Vielzahl heterogener Geräte, die über Gateways verbunden sind, sagt Cuéllar von Relyum. „Stattdessen erhöht es die Akzeptanz einer Kommunikationstechnologie auf Verbindungsebene, die für beide Welten gültig ist“, sagt er. „Auf diese Weise wäre eine All-to-All-Datenaustauschtopologie in einer homogenen Anlage möglich, ähnlich einer Säule (Abbildung 3).“

Abbildung 3:Die Automatisierungssäule zeigt klare Hochgeschwindigkeitsverbindungen zwischen den E/A-Geräten und Steuerungen in der Fabrikhalle, der Fabrik, der Unternehmensebene und der Cloud.
(Quelle:Belden über System-On-Chip Engineering)

Diese Automatisierungssäule basiert auf einem Blogbeitrag mit dem Titel „Was ist TSN? Ein Blick auf seine Rolle in zukünftigen Ethernet-Netzwerken“ von René Hummen, leitender Architekt für Technologie und Innovation bei Belden.

In diesem Säulenkontext ist das traditionelle schichtbasierte Kommunikations- und Cybersicherheitsschema nicht mehr gültig. „Die im Feld-I/O enthaltenen Elemente würden direkt mit Anwendungen und Diensten kommunizieren, die in der Remote-Cloud aktiviert sind“, erklärt Cuéllar. „Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Kommunikation zwischen den verschiedenen Geräten zu sichern. Die Echtzeitanforderungen von TSN stellen eine der großen Herausforderungen für die Sicherung dieser Art von Netzwerken dar, da herkömmliche Cybersicherheits-IT-Mechanismen die Übertragung von Paketen mit der erforderlichen Latenz nicht garantieren können.“

TSN ist kein Protokoll
TSN ist nur eine weitere bessere Version von Ethernet; Es ist kein Protokoll. „Was sich verbessert, ist die Infrastruktur, auf der alle Ethernet-basierten Protokolle basieren“, sagt Bowne von PI. „TSN befindet sich auf der Datenverbindungsschicht (Schicht 2) des IOS/OSI-Modells (Abbildung 4). Protokolle befinden sich auf der Anwendungsschicht (Schicht 7) des ISO/OSI-Modells. Gateways übersetzen Daten zwischen den verschiedenen Protokollen oder Sprachen.“

Abbildung 4:TSN befindet sich in der Datenverbindungsschicht 2 des IOS/OSI-Modells und ist kein Protokoll, das sich in der Anwendungsschicht 7 befindet.
(Quelle:Pi North America)

TSN ist als Ergänzung zu bestehenden Netzwerkfunktionen konzipiert. „Netzwerkfunktionen, die heute verfügbar sind und einen zuverlässigen Betrieb ermöglichen, sollten nach der Einführung von TSN auch in gleicher Weise verfügbar sein“, sagt Brooks von Rockwell. „Es sollte keine Verhaltensänderung erzwingen, es sei denn, es gibt einen neuen Wert, der diese Änderung rechtfertigt (Abbildung 5).“

Abbildung 5:Ein Großteil der Netzwerkhardware und Funktionszuverlässigkeit wird nach der Einführung von TSN gleich bleiben, aber es wird einen Mehrwert geben, der die Änderung rechtfertigt.
(Quelle:Rockwell Automation)

Durch den Fokus auf EtherNet/IP sei die zeitkritische Vernetzung völlig unabhängig vom Kommunikationsprotokoll, fährt Brooks fort. „Die Aufgabe für Protokollorganisationen wie ODVA und OPC Foundation besteht einfach darin, zu definieren, wie ihre Protokolle mit TSN funktionieren, und TSN für den Benutzer so transparent wie möglich zu machen“, sagt er. „Und sie müssen dies tun und gleichzeitig bestehende Quality-of-Service-Mechanismen wie DSCP (Differential Services Code Point) zu einem Akronym machen, das die meisten Maschinenbauer und Systemintegratoren nie verstehen müssen!“

Wie hilft TSN einer Anwendung?

„Wenn wir alle unsere Arbeit richtig machen, muss ein Maschinenbauer oder Systemintegrator überhaupt nicht viel mit TSN interagieren“, sagt Bowne von PI North America. „Es wird einfach zu verwenden und für ihre Profinet-bezogenen Aufgaben des Engineerings, der Konfiguration und der Inbetriebnahme transparent sein. Es ist einfach eine bessere Version des heute verwendeten Ethernets.“

Zeitkritisches Networking ist ein Tool, das die Verflachung von Netzwerken erleichtert, aber es ist nur eines der Tools, die dies möglich und praktisch machen, sagt Brooks von Rockwell. „Zum Beispiel ist die Netzwerksegmentierung das Herzstück einer sicheren Netzwerkarchitektur“, erklärt er. „Zeitkritische Netzwerke helfen nicht bei der Segmentierung. Dafür müssen Sie geroutete Protokolle verwenden, und TSN unterstützt kein Routing.“

Wenn jedoch mehrere Streams mit hoher Bandbreite über ein einziges Kabel laufen, kann TSN sicherlich den technischen Aufwand reduzieren, der erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die Netzwerkverbindung wie erwartet funktioniert, erklärt Brooks. „Jedes Gerät in einem Netzwerk kann das Verkehrsaufkommen und die periodische Rate, mit der dieser Verkehr an die Netzwerkinfrastruktur gesendet wird, bekannt geben“, sagt er. „Die Netzwerkinfrastruktur kann die Netzwerkauslastung basierend auf dem Gesamtvolumen des durch das Netzwerk fließenden Datenverkehrs planen. Sie kann außerdem Netzwerkressourcen schützen, um sicherzustellen, dass dieses Datenvolumen durch das Netzwerk fließen kann.“

„TSN ermöglicht es den verschiedenen IE-Protokollen, ein einziges, miteinander verbundenes Netzwerk für alle industriellen Steuerungsanwendungen wie E/A, Sicherheit und Bewegung zu nutzen und mit anderen Geräten, beispielsweise Videokameras und Anwendungen, zu koexistieren und gleichzeitig die deterministischen Netzwerkanforderungen beizubehalten, auf die Steuerungsanwendungen angewiesen sind“, sagt Paul Didier von Cisco. „Auf diese Weise können industrielle IoT-Anwendungen direkt und sicher auf Endgeräte zugreifen, um sehr relevante Daten und Informationen zu extrahieren, die oft nicht von einem Gateway verarbeitet werden können“, sagt er.

Über den Autor:Dave Perkon
Dave Perkon ThumbDave Perkon ist technischer Redakteur für Control Design. Er hat Automatisierungsprojekte für Fortune-500-Unternehmen in der Medizin-, Automobil-, Halbleiter-, Verteidigungs- und Solarindustrie entwickelt und geleitet.