Warum deterministische Steuerung für moderne Systeme unverzichtbar ist

Veröffentlicht am 5. Juli

Der sich häufende Fall für deterministische Steuerung

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

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

Was müssen Maschinenbauer, Systemintegratoren und Hersteller über Time-Sensitive Networking (TSN) wissen? In einfachsten Begriffen: Es ist besseres Ethernet.

Was früher viele Netzwerke und Gateways zur Erfüllung von Leistungsanforderungen waren, wird deterministische Steuerung und Information auf einem einzigen Kabel.

Zusätzlich zu besserer Leistung wird es einfach zu bedienen sein, doch Integratoren und Endanwender unterstützen gerne aktuelle Lösungen.

„Ich denke nicht, dass TSN die Dinge für Integratoren, die in fortgeschrittener Fertigung und Robotik tätig sind, verkomplizieren wird“, sagt Brian D. McMorris, President bei Futura Automation in Scottsdale, Arizona. „Wir sind ein Shopfloor-Integrator. Wir kennen die IT-Welt nicht gut, aber unsere Unternehmensstruktur und Vision ist auf Industrie 4.0 fokussiert, wovon viel auf dem Shopfloor ausgeführt wird. Beispielsweise sind wir im Manufacturing-Execution-System (MES) auf Anwendungsebene mit der Tulip-Interface-Softwarelinie aktiv. Wir bieten Field-Service-Fähigkeiten und helfen Kunden, die Vorteile eines MES, Computerized Maintenance Management Systems (CMMS) und Quality Management Systems (QMS) zu implementieren.“

Futura arbeitet mit IT hauptsächlich auf der Sicherheitsseite, bezüglich seiner Cloud-basierten Lösung und wie die Cloud-Apps gesichert sind. „Ich bin sicher, es wird gut sein, wenn IEEE ein firmengesponsertes Protokoll wie EtherCAT in einen globalen offenen Standard unter dem Dach einer Industrievereinigung überführt, aber ich sehe heute keine echten Mängel von EtherCAT, abgesehen von den Lizenzkosten pro Gerät für dessen Nutzung“, sagt McMorris.

Während McMorris Entwicklungen in der Netzwerktechnologie unterstützt, hat er bei EtherCAT nicht viele Einschränkungen gesehen. „Wir nutzen EtherCAT mit unseren Servotronix-Antrieben für Mehrachssteuerung an unseren Open-Design-Robotern – kartesisch und Delta“, so McMorris. „Es ist ein sehr schnelles proprietäres Netzwerk mit Jitter weit unter 1 Mikrosekunde, aber es eignet sich nur für bestimmte Hard- und Soft-Realtime-Computing-Anforderungen in der Automatisierungstechnik.“

Doug Putnam-Pite, Director of Software Development bei Owens Design in Fremont, Kalifornien, schätzt, dass proprietäre Netzwerke wie EtherCAT und CC-Link IE Echtzeitkommunikation bieten, erkennt aber auch ihre Grenzen an. „Der Nachteil dieser Technologien ist, dass sie nur mit Steuergeräten funktionieren, die das Protokoll unterstützen“, sagt Putnam-Pite. „Das bedeutet, man kann keine Geräte im selben Netzwerk haben, die das Protokoll nicht unterstützen. Diese Fieldbus-Netzwerke müssen von anderen Ethernet-Netzwerken im Werkzeug getrennt werden.“

TSN könnte Geräten, die derzeit nicht in Echtzeit kommunizieren können, dies ermöglichen. „Time-Sensitive Networking gibt Integratoren mehr Optionen bei der Architektur von Steuerungssystemen“, sagt Putnam-Pite. „Ein Werkzeug mit einem zeitempfindlichen Netzwerk könnte Steuerung dezentralisieren, sodass einzelne Geräte direkt miteinander in Echtzeit kommunizieren und ein gewisses Maß an Steuerung vom zentralen Werkzeugcontroller abgelöst werden kann. Zudem könnten PCs in semi-Echtzeit mit zeitempfindlichen Netzwerkgeräten kommunizieren.“

Statusbericht

„Damit Maschinenbauer, Systemintegratoren und Hersteller TSN einsetzen können, muss es in industrielle Automatisierungsprotokolle integriert und von einem ausreichend breiten Anbieterset unterstützt werden, um ein System zusammenzustellen“, sagt Paul Didier, TSN Testbed Coordinator, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org), und IoT Solution Architect bei Cisco. „Das ist noch nicht der Fall, aber die Industrie arbeitet hart daran, dieses Ziel zu erreichen (Abbildung 1).“

Abbildung 1: Testen der zahlreichen TSN-Teile ist von vielen Branchenführern in Netzwerken, Automatisierung und Elektronik weit fortgeschritten.
(Quelle: Industrial Internet Consortium)

Die Arbeit an der Definition des Satzes von etwa 12 IEEE-802-Standards, die auf die für TSN erforderliche Determinismus und Quality of Service abzielen, läuft, sagt Dr. Al Beydoun, President von ODVA (www.odva.org). „Zusätzlich muss Interoperabilität gewahrt bleiben. Der Abschluss des IEC/IEEE 60802 Industrieprofils für TSN ist entscheidend und für Mitte 2021 anvisiert“, so Beydoun. „In der Zwischenzeit werden Aktualisierungen von Netzwerkspezifikationen wie der EtherNet/IP-Spezifikation nicht finalisiert, bis der zugrundeliegende TSN-Standard finalisiert ist.“

Standard-Ethernet ist nicht deterministisch by Design, sagt Michael Bowne, Executive Director bei PI North America. „Time-Sensitive Networking ist ein Werkzeugkasten von rund zwei Dutzend IEEE-Standards, die standardisiertes deterministisches Ethernet schaffen“, erklärt er. „Da nun auch andere Branchen außerhalb der Industrieautomation an deterministischem Ethernet interessiert sind, gibt es einen größeren Markt für die Hardware. Die Idee ist, dass diese Technologie schließlich über Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Chips verfügbar sein wird. Von den IEEE-Standards im TSN-Werkzeugkasten haben wir etwa ein halbes Dutzend identifiziert, die besonders relevant für die Industrieautomation sind. Diese Standards adressieren Determinismus mit Features wie Synchronisation, niedriger Latenz, hoher Verfügbarkeit und Robustheit.“

Es ist wichtig, den Standard richtig hinzubekommen, und das braucht Zeit. „Wie oben erwähnt, ist TSN ein Werkzeugkasten vieler verschiedener Standards, nicht nur eines“, sagt Bowne. „Einige sind für die Industrieautomation relevant, andere nicht. Um sicherzustellen, dass wir nicht mit verschiedenen TSN-Geschmacksrichtungen in der Industrieautomation enden, wurde eine Initiative gestartet, bekannt als IEC/IEEE 60802. Sie wird derzeit von Ingenieuren von Automatisierungsanbietern groß und klein besetzt, um Harmonisierung across Unternehmen zu gewährleisten.“

Die digitale Fabrik verlangt Interoperabilität und Einfachheit in der Kommunikation, sagt Armando Astarloa Cuéllar, CEO, System-on-Chip Engineering, bei Relyum. „TSN ist das Ethernet der nächsten Generation, ausdrücklich dafür designed, diese Anforderungen zu erfüllen“, so Cuéllar. Obwohl die Einführung von TSN progressiv je nach Sektor erfolgen wird, übernehmen kritische Bereiche wie Bahn, Automobil oder Luft- und Raumfahrt TSN bereits als Standard IT/OT-Netzwerk in ihren neuen Plattformen.

Warum sollte Sie TSN interessieren?

„Aus Nutzersicht ist der Status von Time-Sensitive Networking derzeit etwas ins Stocken geraten“, sagt Paul Brooks, Business Development Manager, Networks – IIPA, Global Standards, OPC und Time-Sensitive Networking, bei Rockwell Automation. „Die TSN-Standards in IEEE 802 wurden veröffentlicht, aber sie bieten nur Feature-Level-Interoperabilität, nicht System-Level-Interoperabilität“, so Brooks. „Daher entwickelt die Industrieautomations-Community aus Anbietersicht IEC/IEEE 60802, das das Industrieautomationsprofil für TSN bestimmen wird, um diese System-Level-Interoperabilität zu liefern.“

Erst wenn diese Standards feststehen, können Protokollorganisationen wie ODVA dieses Profil in Spezifikationen veröffentlichen, fährt Brooks fort. „Einige Unternehmen haben Pre-Standard-Produkte veröffentlicht, die zwar Nutzwert liefern, aber keine Garantie besteht, dass sie mit dem finalen Standard kompatibel sind.“

Im November 2018 kündigte die OPC Foundation die Field Level Communication Initiative an, unterstützt von einem sehr breiten Set industrieller und IT-Akteure: ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens und andere, sagt Cisco's Didier. „Die Vision zielt auf eine offene, einheitliche, standardsbasierte IIoT-Kommunikationslösung zwischen Sensoren, Aktoren, Controllern und Cloud ab, die alle Anforderungen der Industrieautomation adressiert“, so Didier. „Die Initiative wird OPCs Arbeit an Pub/Sub und TSN-Kommunikation einbeziehen (Abbildung 2).“

Abbildung 2: TSN-Kommunikation mit OPC UA ermöglicht Steuerungsanwendungen, auf einem offenen, standardisierten Netzwerk mit einer großen Vielfalt anderer Traffic- und Anwendungsarten zu arbeiten – Sensor to Cloud.
(Quelle: Hilscher)

TSN ermöglicht allen Steuerungsanwendungen, sich auf ein offenes, standardisiertes Netzwerk zu verlassen. „Dieses Netzwerk kann auch eine riesige Vielfalt anderer Traffic-Arten und Anwendungen unterstützen. Diese Konvergenz und die Fähigkeit, Sensor-to-Cloud zu kommunizieren, sind die zentralen Verbesserungen“, sagt Didier.

„TSN ist designed, deterministisches Messaging und Echtzeitfähigkeit über Standard-Ethernet bereitzustellen, um Kommunikation von Informationen in einer festen und vorhersagbaren Zeitspanne zu gewährleisten“, erklärt Beydoun. „Die Schlüsselanwendungen von TSN werden jene sein, die präzises Timing-Control und deterministisches Netzwerkverhalten erfordern. Allerdings ist Ethernet TSN in jeder industriellen Anwendung erwünscht, wo höhere Bandbreite und schnellere Netzwerkantwort gewünscht sind, wie bei Netzwerkanwendungen, die Audio- und Videoinformationen übertragen. TSNs Skalierbarkeit ermöglicht High-Bandwidth-Streaming von Paketen mit garantierter Latenz bei höheren Gigabit-Übertragungsraten.“

Warum brauche ich TSN?

„Viele Integratoren und Maschinenbauer hinterfragen die Notwendigkeit von TSN und behaupten, bestehende Industrial-Ethernet- und verwandte Protokolle wie EtherNet/IP, EtherCAT und Profinet erfüllten ihre Bedürfnisse – ‚Warum brauche ich TSN?‘ ist eine häufige Frage“, sagt Bowne bei PI North America. „Es ist eine gültige Frage, besonders weil viele der von TSN eingesetzten Techniken – Synchronisation, Bandbreitenreservierung, Scheduling – seit über 15 Jahren in Profinet genutzt werden. Hätte TSN damals existiert, hätten wir es übernommen und uns viel Engineering-Aufwand gespart. Und doch hat Profinet immer erlaubt, dass hochgeschwindigkeitsbezogener Steuerungs-Traffic koexistiert mit anderen Informations-Traffic.“

Dasselbe Prinzip gilt für TSN – also, warum braucht man es? „Die Antwort ist subtil und mit der Zukunft des Netzwerkens verknüpft“, sagt Bowne. „Wenn wir in den Industrie-4.0/IIoT-Bereich vorstoßen, werden immer mehr Informationen an höherwertige Systeme geliefert. Schließlich scheint eine gewisse Abflachung des Purdue-Modells einzutreten. Während TSN nicht der Treiber sein mag, kann es sicherlich eines der Werkzeuge sein, die dies ermöglichen.“

In der Zukunft stellen wir uns vor, dass, je mehr Bandbreite von IT-Protokollen genutzt wird, TSN sicherstellt, dass zeitkritischer – daher der Name – OT-Traffic den Determinismus erhält, den er braucht, selbst in Netzen, die mit anderem Best-Effort-IT-Traffic belastet sind, erklärt Bowne. „Solange sie alle eine gemeinsame TSN-Basis teilen, können Hersteller beginnen, konvergente IT/OT-Netzwerke zu implementieren, ohne sich Sorgen zu machen, dass ihr OT-Traffic auf Kosten von IT-Traffic geopfert wird“, so Bowne. „Wir wollen diese langgehegte Philosophie fortsetzen, weil wir daran glauben, das richtige Werkzeug für die richtige Aufgabe zu nutzen: das Profinet-Protokoll für Datenbewegung, andere Protokolle, z. B. OPC UA, für Informationsbewegung – alles auf einem einzigen Draht.“

Der OT/IT-Integrations-Fahrplan endet nicht in einer intermediären Situation mit einer Vielzahl heterogener Geräte, die durch Gateways verbunden sind, sagt Cuéllar bei Relyum. „Stattdessen hebt er die Einführung einer Kommunikationstechnologie auf der Link-Ebene an, die für beide Welten gültig ist“, so Cuéllar. „So wäre eine All-to-All-Datenaustausch-Topologie in einer homogenen Anlage realisierbar, ähnlich einem Pfeiler (Abbildung 3).“

Abbildung 3: Der Automatisierungspfeiler zeigt klare, hochgeschwindige Verbindungen zwischen Feld-I/O-Geräten und Controllern zur Fabrik-, Unternehmens-Ebene und zur Cloud.
(Quelle: Belden via System-On-Chip Engineering)

Dieser Automatisierungspfeiler basiert auf einem Blogpost „What is TSN? A Look at Its Role in Future Ethernet Networks“ von René Hummen, Senior Architect – Technology and Innovation, bei Belden.

In diesem Pfeiler-Kontext ist das traditionelle schichtenbasierte Kommunikations- und Cybersicherheitsschema nicht mehr gültig. „Die im Feld-I/O enthaltenen Elemente würden direkt mit Applikationen und Services in der Remote-Cloud kommunizieren“, erklärt Cuéllar. „Daher ist es kritisch, die Kommunikation zwischen den verschiedenen Geräten zu sichern. Die Echtzeitanforderungen von TSN stellen eine der großen Herausforderungen für die Sicherung dieser Art von Netzwerk dar, weil traditionelle IT-Cybersicherheitsmechanismen die Übertragung von Paketen mit der erforderlichen Latenz nicht garantieren können.“

TSN ist kein Protokoll

TSN ist einfach eine weitere, bessere Version von Ethernet; es ist kein Protokoll. „Was sich verbessert, ist die Infrastruktur, auf der alle Ethernet-basierten Protokolle existieren“, sagt PI's Bowne. „TSN liegt in der Data Link Layer (Layer 2) des ISO/OSI-Modells (Abbildung 4). Protokolle liegen in der Application Layer (Layer 7) des ISO/OSI-Modells. Gateways übersetzen Daten zwischen verschiedenen Protokollen oder Sprachen.“

Abbildung 4: TSN residiert in der Data Link Layer 2 des ISO/OSI-Modells und ist kein Protokoll, das in Application Layer 7 residiert.
(Quelle: PI North America)

TSN ist als additives zu bestehender Netzwerkfunktionalität designed. „Netzwerkfunktionen, die heute verfügbar sind und zuverlässige Operationen liefern, sollten nach Einführung von TSN auf dieselbe Weise verfügbar sein“, sagt Brooks bei Rockwell. „Es sollte keine Verhaltensänderung erzwingen, es sei denn, es gibt neuen Wert, der diese Änderung rechtfertigt (Abbildung 5).“

Abbildung 5: Ein Großteil der Netzwerkhardware und funktionalen Zuverlässigkeit bleibt nach Einführung von TSN gleich, aber es wird Wert hinzugefügt, um die Änderung zu rechtfertigen.
(Quelle: Rockwell Automation)

Fokussiert auf EtherNet/IP, ist Time-Sensitive Networking vollständig unabhängig vom Kommunikationsprotokoll, fährt Brooks fort. „Die Aufgabe für Protokollorganisationen wie ODVA und OPC Foundation ist einfach, zu definieren, wie ihre Protokolle mit TSN arbeiten und TSN für den Nutzer so transparent wie möglich zu machen“, so Brooks. „Und sie müssen das tun, während sie bestehende Quality-of-Service-Mechanismen wie DSCP (Differentiated Services Code Point) – ein Akronym, das die meisten Maschinenbauer und Systemintegratoren nie verstehen müssen – beibehalten!“

Wie hilft TSN einer Applikation?

„Wenn wir alle unsere Arbeit richtig machen, muss ein Maschinenbauer oder Systemintegrator kaum mit TSN interagieren“, sagt Bowne bei PI North America. „Es wird einfach zu employieren und transparent für ihre Profinet-bezogenen Aufgaben des Engineerings, Konfigurierens und Inbetriebnehmens sein. Es ist einfach eine bessere Version des heute eingesetzten Ethernet.“

Time-Sensitive Networking ist ein Werkzeug, das das Abflachen von Netzen erleichtert, aber es ist nur eines der Werkzeuge, die dies möglich und praktikabel machen, sagt Brooks bei Rockwell. „Netzwerksegmentierung ist das Herz einer sicheren Netzwerkarchitektur“, erklärt er. „Time-Sensitive Networking hilft nicht bei Segmentierung. Dafür braucht man geroutete Protokolle, und TSN unterstützt kein Routing.“

Wenn man jedoch mehrere High-Bandwidth-Streams durch ein einziges Kabel führt, kann TSN sicherlich den Engineering-Aufwand reduzieren, um zu wissen, dass der Netzwerk-Link wie erwartet funktioniert, erklärt Brooks. „Jedes Gerät in einem Netzwerk kann das Traffic-Volumen und die periodische Rate ankündigen, mit der dieser Traffic an die Netzwerkinfrastruktur gesendet wird“, so Brooks. „Die Netzwerkinfrastruktur kann die Netzwerkauslastung basierend auf dem Gesamtvolumen des durch das Netzwerk fließenden Traffics planen. Sie kann auch Netzwerkressourcen schützen, um sicherzustellen, dass dieses Traffic-Volumen durch das Netzwerk fließen kann.“

TSN ermöglicht den verschiedenen IE-Protokollen, ein einziges, vernetztes Netzwerk für alle industriellen Steuerungsanwendungen – I/O, Safety und Motion – zu nutzen und mit anderen Geräten, z. B. Videokameras, und Anwendungen zu koexistieren, während die deterministischen Netzwerkanforderungen gewahrt bleiben, auf die Steuerungsanwendungen angewiesen sind, sagt Paul Didier bei Cisco. „Auf diese Weise können Industrial-IoT-Anwendungen direkt und sicher auf Endgeräte zugreifen, um sehr relevante Daten und Informationen zu extrahieren, die oft nicht durch ein Gateway gehandhabt werden können“, so Didier.

Über den Autor: Dave Perkon

Dave Perkon ist Technical Editor für Control Design. Er hat Automatisierungsprojekte für Fortune-500-Unternehmen in den Bereichen Medizintechnik, Automotive, Halbleiter, Verteidigung und Solar engineered und gemanagt.