Die Morgendämmerung der industriellen Vernetzung: Proprietäre Systeme und Feldbusse

Vor dem Zeitalter des allgegenwärtigen Ethernets wurde in der Fabrikhalle ein Patchwork aus proprietären und halbproprietären Feldbussystemen betrieben. In den 1970er und 1980er Jahren bedeutete die Verbindung einer programmierbaren Steuerung (SPS) mit Sensoren und Aktoren, dass massive parallele Kabelbäume von jedem Gerät zurück zu einem zentralen Schaltschrank betrieben wurden. Dieser Ansatz war teuer, schwierig zu beheben und hatte nicht die Flexibilität, die für schnell wechselnde Produktionslinien erforderlich war.

Die Einführung digitaler Feldbusnetze Mitte der 1980er Jahre markierte den ersten großen Sprung nach vorne. Standards wie Profibus (Process Field Bus), entwickelt von Siemens und gefördert von Profibus & Profinet International, und Modbus, ursprünglich von Modicon (heute Schneider Electric) entwickelt, ermöglichten es Geräten, über ein einziges serielles Kabel zu kommunizieren. Diese Netzwerke nutzten Master-Slave- oder Token-Passing-Protokolle, um den Zugang zum Kommunikationsmedium zu vermitteln. Weitere prominente Akteure waren DeviceNet und ControlNet, angetrieben von Rockwell Automation, die robuste Konnektivität für diskrete Fertigung und Bewegungssteuerung boten.

Diese Feldbusse vereinfachten zwar die Verkabelung und verbesserten die Diagnose bei weitem nicht. Jeder Standard erforderte oft spezielle Chips, proprietäre Konfigurationssoftware und spezifische Verkabelung. Die Interoperabilität zwischen einem Profibus-Gerät und einem DeviceNet-Netzwerk war ohne teure, komplexe Gateways im Wesentlichen nicht vorhanden. Die Datenraten, die typischerweise von 1 Mbps bis 12 Mbps reichten, waren bald nicht ausreichend für die wachsenden Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsautomatisierung, Vision-Systeme und datenintensive Qualitätssicherung. Die Bühne wurde für ein neues Paradigma bereitet: die Konvergenz der industriellen und kommerziellen Vernetzung. Angetrieben durch die steigende Flut des Internets und die massiven Skaleneffekte der IT-Branche, entwickelte sich Standard-Ethernet als der logische Kandidat, um die fragmentierte Feldbuslandschaft zu verdrängen.

EtherNet/IP: Nutzung des Common Industrial Protocol

Der Vorstoß zur Standardisierung der industriellen Steuerung auf Ethernet führte zur Entwicklung mehrerer konkurrierender "Industrial Ethernet" -Standards in den späten 1990er und frühen 2000er Jahren. Zu den erfolgreichsten gehörten EtherNet/IP, die gemeinsam von Rockwell Automation entwickelt und von ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) verwaltet wurden. EtherNet/IP steht für "EtherNet Industrial Protocol". Anstatt die physikalischen oder Datenverbindungsschichten neu zu erfinden, bildet es ein ausgereiftes, robustes Anwendungsschichtprotokoll - das Common Industrial Protocol (CIP) - direkt auf Standard-TCP/IP und UDP/IP-Stacks ab.

Diese Strategie verschaffte EtherNet/IP mehrere unmittelbare Vorteile. Sie konnte auf leicht verfügbarer, handelsüblicher Ethernet-Hardware (Switches, Kabel und Netzwerkschnittstellenkarten) laufen. Sie unterstützte sowohl implizite (Echtzeit-E/A-)Messaging-Dienste mit UDP für Hochgeschwindigkeitsleistung als auch explizite (Konfigurations- und Diagnose-)Messaging-Dienste mit TCP für garantierte Lieferung. Diese Dual-Mode-Architektur ermöglichte es einem einzelnen Netzwerk, zeitkritische Steuerdaten neben weniger dringendem Konfigurationsverkehr zu verarbeiten. Geräte konnten dynamisch mit Standardprotokollen entdeckt werden, was die Einrichtung vereinfachte. Seine inhärente Offenheit und Abhängigkeit von Standard-Ethernet-Infrastruktur führte zu einer weit verbreiteten Akzeptanz in der Automobil-, Verpackungs- und Materialverarbeitungsindustrie. Trotz seines Erfolgs kämpfte EtherNet/IP, wie alle Standard-Ethernet-Protokolle, mit einer grundlegenden industriellen Anforderung: echtes deterministisches Verhalten.

Die grundlegende Herausforderung: Determinismus vs. Best Effort

Der Kern des Problems liegt in der ursprünglichen Designphilosophie des IEEE 802.3 Ethernet-Standards. Standard Ethernet ist ein nicht-deterministisches, "beste Anstrengung"-Netzwerk. Wenn zwei Geräte versuchen, Daten gleichzeitig zu übertragen, tritt eine Kollision auf. Das Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)-Protokoll behandelt dies, indem beide Geräte ein zufälliges Backoff-Intervall warten, bevor sie erneut übertragen werden. In einer Büroumgebung ist diese zufällige Latenz kaum spürbar. Eine E-Mail, die 10 Millisekunden gegenüber 20 Millisekunden dauert, ist für die Benutzererfahrung irrelevant.

In der Fabrik sind solche Jitter und Latenz jedoch katastrophal. Ein Bewegungssteuerungssystem, das einen Hochgeschwindigkeitsroboterarm koordiniert, erfordert möglicherweise eine Positionsaktualisierung alle 31,25 Mikrosekunden. Ein verpasstes oder verzögertes Paket kann Achssynchronisationsfehler verursachen, was zu mechanischen Vibrationen, Werkstückschäden oder Notstopps führt. Als industrielle Systeme auf höhere Präzision drängten, wurde die Zufälligkeit, die CSMA / CD innewohnt, zu einer inakzeptablen Belastung. Die Industrie reagierte mit der Entwicklung proprietärer Lösungen, die den Ethernet-Standard selbst modifizierten, oft durch den Verzicht auf Interoperabilität und Standardhardware. Während diese Lösungen das Latenzproblem lösten, schufen sie ein neues: Fragmentierung.

Echtzeit-Ethernet: Proprietäre Lösungen für das Timing-Problem

Um die deterministische Kommunikation zu erreichen, die für harte Echtzeitanwendungen erforderlich ist, entwickelten mehrere Standardorganisationen und Anbieter spezielle Protokolle. Diese "Real-Time Ethernet" (RTE) -Standards verfolgten unterschiedliche Ansätze, um den Nicht-Determinismus von Standard-Ethernet zu umgehen. Drei der bemerkenswertesten Beispiele sind EtherCAT, PROFINET IRT und Sercos III.

  • EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), entwickelt von Beckhoff, verwendet eine "processing on the fly"-Methode. Der Master sendet einen einzelnen Telegrammrahmen, der durch jedes Slave-Gerät läuft. Jeder Slave liest seine Eingangsdaten und fügt seine Ausgangsdaten in den Rahmen ein, während er vorbeigeht. Der Rahmen kehrt mit allen gesammelten Daten zum Master zurück. Diese Methode ist außergewöhnlich schnell und effizient, erfordert jedoch eine spezielle Vollduplex-Architektur und spezialisierte EtherCAT-Slave-Controller (ASICs).
  • PROFINET IRT (Isochronous Real-Time), entwickelt von Siemens und Profibus & Profinet International, verfolgt einen anderen Ansatz. Es teilt den Kommunikationszyklus in eine deterministische "rote Phase" für zeitkritische Daten und eine offene "grüne Phase" für den Standard-TCP/IP-Verkehr. Die Aufrechterhaltung des starren Timings der roten Phase erfordert spezialisierte PROFINET IRT ASICs, komplexe Netzwerkkonfiguration und Synchronisation aller beteiligten Switches.
  • Sercos III (SErial Real-time Communication System) verwendet einen "Summationsrahmen" -Ansatz ähnlich wie EtherCAT, unterstützt aber eine redundante Ringtopologie für Hochverfügbarkeit. Wie Profinet IRT erfordert es Hardware-Unterstützung für ein präzises Timing und Hot-Plug-up von Geräten, ohne den deterministischen Zyklus zu stören.

All diese Lösungen sind effektiv. Ein richtig konfiguriertes EtherCAT- oder Profinet-IRT-Netzwerk kann Jitter im Nanosekundenbereich erzielen. Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis: Herstellerbindung, Abhängigkeit von spezialisierter Hardware, komplexes Netzwerk-Engineering und eine grundlegende Unfähigkeit, nahtlos mit Standard-IT-Netzwerken zu konvergieren. Jeder RTE-Standard spricht seine eigene Sprache und ihre Überbrückung bleibt eine anhaltende Herausforderung. Die Industrie brauchte einen universellen, offenen Standard für deterministische Kommunikation über Standard, unmodifiziertes Ethernet.

Zeitsensibles Networking (TSN): Die Suche nach einem einheitlichen Standard

Die Antwort auf die Fragmentierung von industriellen Automatisierungsnetzwerken ist Zeitempfindliches Networking (TSN). TSN ist kein einzelnes Protokoll, sondern ein umfassender Satz von IEEE 802.1 Ethernet-Substandards, die von der IEEE TSN Task Group entwickelt wurden. Ursprünglich aus dem Audio Video Bridging (AVB) -Standard für professionelle Audio / Videostudios entwickelt, wurde TSN überarbeitet, um die strengen Anforderungen der industriellen Automatisierung, der Automobilsteuerung und der 5G-Telekommunikation zu erfüllen.

Die Kernphilosophie von TSN unterscheidet sich radikal von früheren proprietären Lösungen. Anstatt die Ethernet-Rahmenstruktur zu ändern oder benutzerdefiniertes Silizium für die deterministische Planung zu benötigen, arbeitet TSN durch Standardisierung des Verhaltens von Netzwerkswitches. Ein TSN-fähiger Switch kann den Datenverkehr priorisieren, Datenflüsse formen und Uhren im gesamten Netzwerk mit extremer Präzision synchronisieren, während Standard-100 Mbps, 1 Gbps oder sogar Ethernet-Hardware mit höherer Geschwindigkeit verwendet werden. Dies ermöglicht es einem einzigen, konvergierten Netzwerk, Standard-Office-Datenverkehr, Daten mit hohem Volumen von IIoT-Sensoren und harte Echtzeit-Bewegungssteuerungspakete zu transportieren.

Die wichtigsten Sub-Standards, die TSN zum Funktionieren bringen

TSN wird durch eine Toolbox von Standards definiert, die jeweils einen bestimmten Aspekt der deterministischen Kommunikation ansprechen.

  • IEEE 802.1AS: Clock Synchronization (Generalized Precision Time Protocol, gPTP). Dies ist der grundlegende Block eines TSN-Netzwerks. Es bietet einen Mechanismus für alle Geräte im Netzwerk, um ihre Uhren mit einer gemeinsamen Zeitquelle mit Sub-Mikrosekunden-Genauigkeit zu synchronisieren. Endstationen und Switches tauschen Timing-Nachrichten aus, um Ausbreitungsverzögerungen zu messen und für die Taktdrift zu korrigieren. Ohne diese genaue Zeitbasis können die TSN-Verkehrsplanungsmechanismen nicht funktionieren.
  • IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper (TAS) Dies ist der Mechanismus, der den Determinismus erzwingt. 802.1Qbv teilt den Betrieb eines Ausstiegs-Schalterports in sich wiederholende Zeitzyklen. Innerhalb jedes Zyklus wird der in die Warteschlange gestellte Datenverkehr gegated. Zu einem bestimmten Zeitpunkt öffnet sich das Tor für den hochprioren Kontrollverkehr und das Tor für den Standard-Hintergrundverkehr schließt. Dadurch wird sichergestellt, dass kritische Pakete mit niedriger und begrenzter Latenz übertragen werden, ohne dass der konkurrierende Datenverkehr gestört wird. Dies ist das Konzept der "Grünen Phase / Roten Phase", das offen und interoperabel gemacht wird.
  • Um das Netzwerk vor falsch konfigurierten oder fehlerhaften Geräten zu schützen, ermöglicht 802.1Qci Switches, Bandbreitenbeschränkungen für bestimmte Datenströme zu überwachen und durchzusetzen. Wenn ein Sensor zu viele Daten sendet, kann der TSN-Switch automatisch Frames fallen lassen oder sie in eine Warteschlange mit niedrigerer Priorität verlegen, wodurch der deterministische Steuerungsverkehr geschützt wird. Dies bietet die für sicherheitskritische Anwendungen erforderliche Zuverlässigkeit.
  • IEEE 802.1CB: Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER). Für Systeme mit hoher Verfügbarkeit bietet 802.1CB nahtlose Redundanz. Das Sendegerät dupliziert jedes Paket und sendet die beiden Kopien über physikalisch getrennte Pfade durch das Netzwerk. Das Empfangsgerät akzeptiert die erste ankommende Kopie und verwirft das Duplikat. Wenn ein Kabel unterbrochen wird oder ein Switch ausfällt, geht der Datenstrom ununterbrochen mit Null Wiederherstellungszeit weiter.

Diese Standards bilden zusammen mit anderen Standards für die Stream-Reservierung (802.1Qat) und die verbindungslokale Registrierung (802.1CS) ein leistungsstarkes Toolkit. Sie ermöglichen Netzwerkingenieuren, Systeme mit garantierter Latenz, null Paketverlust und Fehlertoleranz auf Standard-Ethernet-Hardware zu entwerfen.

Wie TSN Deterministische Kommunikation über Standard-Ethernet ermöglicht

Der Übergang vom nicht-deterministischen, aufwandsstärksten Standard-Ethernet zu einem TSN-verwalteten deterministischen Netzwerk ist eine grundlegende Änderung in der Funktionsweise des Netzwerks. In einem standardvermittelten Netzwerk konkurrieren mehrere Datenströme um die Egress-Port-Bandbreite. Der Puffer des Switches füllt sich und Pakete werden in die Warteschlange "first in, first out" oder mit einfacher Prioritätswarteschlange (802.1p) gestellt. Ein plötzlicher Datensprung aus einem Videostrom mit hoher Priorität kann ein zeitkritisches Motion-Control-Paket verzögern, was zu einem Jitter-Spike führt.

TSN eliminiert diese Behauptung durch die in 802.1Qbv (Time-Aware Shaper) definierte Planung. Alle Switches und Endstationen werden über 802.1AS auf eine Master-Uhr synchronisiert. Basierend auf der erforderlichen Latenz und Bandbreite des Streams berechnet ein zentrales Konfigurationstool einen genauen Zeitplan. Es bestimmt genau, wann die Pakete eines bestimmten Streams jeden Switch entlang des Pfades durchlaufen werden. Die Gates an den Switch-Ports öffnen und schließen sich gemäß diesem Zeitplan, so dass das Paket keine Warteschlangenverzögerung erfährt. Die Worst-Case-Latenz wird zu einem bekannten, kalkulierbaren Wert, nicht zu einer statistischen Schätzung. Dies wird als "harte Echtzeit" -Leistung bezeichnet.

Darüber hinaus ist TSN für Konvergenz ausgelegt. Da der Kontrollverkehr streng geplant und durch 802.1Qci geschützt ist, können die verbleibenden Bandbreiten- und Zeitschlitze frei von anderen Protokollen verwendet werden. Ein einzelnes Kabel kann einen PROFINET-Motion-Control-Stream, ein OPC-UA-Konfigurationsupdate, eine Standard-HTTP-Webseite und einen Voice-over-IP-Anruf tragen, ohne dass einer von ihnen den deterministischen Regelkreis stört. Dies reduziert die Kosten und die Komplexität der industriellen Vernetzung drastisch.

Die Auswirkungen von TSN auf die industrielle und professionelle Landschaft

Die Einführung von TSN verändert die industrielle Automatisierung, automobile In-Fahrzeug-Netzwerke und professionelles Audio/Video. Für Fabrikbesitzer ist der Hauptvorteil die Konvergenz von Betriebstechnologie- (OT) und Informationstechnologie- (IT) Netzwerken. TSN ermöglicht es der Fabrikhalle, die gleiche offene Sprache wie das Unternehmensrechenzentrum zu sprechen. Dies vereinfacht die Netzwerkarchitektur, reduziert die Hardwarekosten und ermöglicht leistungsstarke neue Anwendungen wie direkte Cloud-Konnektivität für vorausschauende Wartung und digitale Zwillinge.

Für Automatisierungsanbieter stellt TSN eine Verschiebung in Geschäftsmodellen dar. Anstatt Kunden in ein proprietäres Echtzeitprotokoll einzubinden, können sich Anbieter nun auf den Mehrwert ihrer Controller und Sensoren konzentrieren und die offene TSN-Transportschicht nutzen. Wichtige Organisationen wie die Avnu Alliance treiben Compliance- und Interoperabilitätstests voran, um sicherzustellen, dass TSN-Geräte verschiedener Hersteller nahtlos zusammenarbeiten.

Einer der pragmatischsten Vorteile von TSN ist, dass es nicht erforderlich ist, bestehende Anwendungsprotokolle aufzugeben, sondern dass führende Automatisierungsunternehmen ihre Protokolle so anpassen, dass sie über TSN laufen.

  • PROFINET over TSN: PI entwickelt "PROFINET over TSN" (auch bekannt als "Profinet RTC"), um die Anforderung an spezialisierte Profinet-IRT-ASICs zu beseitigen.
  • CC-Link IE TSN: Das japanische Automatisierungskonsortium CLPA kombinierte als erstes Gigabit-Bandbreite mit TSN-Funktionen. Es verwendet 802.1Qbv für deterministische Kommunikation und unterstützt gleichzeitig den Standard-TCP/IP-Datenverkehr im selben Netzwerk.
  • OPC UA over TSN: Die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) ist der De-facto-Standard für plattformunabhängigen, sicheren Datenaustausch. In Kombination mit TSN (OPC UA FX) wird es in der Lage, interoperabel, Echtzeit-Peer-to-Peer-Kommunikation zu betreiben, indem Sensoren, Controller und Cloud-Plattformen direkt miteinander verbunden werden. Diese Kombination wird weithin als grundlegende Kommunikationsschicht für Industrie 4.0 angesehen.

Die Zukunft der industriellen Netzwerke: TSN, 5G und der Weg zur Industrie 4.0

Die Entwicklung der industriellen Vernetzung ist noch lange nicht vorbei. TSN bietet das drahtgebundene deterministische Rückgrat, aber die moderne Fabrik verlangt drahtlose Flexibilität. Die Konvergenz von TSN mit 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) ist die nächste große Grenze. Die 3GPP Release 16-Spezifikation integriert TSN mit 5G, was es einer 5G-Basisstation ermöglicht, als TSN-Brücke zu fungieren. Dies ermöglicht es mobilen Robotern, automatisierten geführten Fahrzeugen (AGVs) und drahtlosen Sensoren, am gleichen deterministischen Netzwerk teilzunehmen wie drahtgebundene Maschinen. Die präzise Timing-Synchronisation von TSN stellt sicher, dass drahtlose Endpunkte vollständig mit dem drahtgebundenen Steuerungssystem synchronisiert sind.

Sicherheit in einer konvergierten Welt

Die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken erweitert auch die Angriffsfläche. Ohne strenge Sicherheit könnte ein kompromittierter Office-Laptop theoretisch eine TSN-gesteuerte Roboterzelle beeinflussen. Zukünftige TSN-Bereitstellungen setzen zunehmend auf robuste Sicherheitsstandards wie die IEC 62443-Serie für die Sicherheit von industriellen Kommunikationsnetzwerken. Netzwerksegmentierung, Geräteauthentifizierung (802.1X) und verschlüsselte Kommunikation (IPsec oder TLS) werden in das TSN-Netzwerkdesign integriert, um sicherzustellen, dass eine erhöhte Konnektivität nicht auf Kosten von Sicherheit und Zuverlässigkeit geht.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung von proprietären Feldbussen zu EtherNet/IP und jetzt zum offenen, deterministischen Ökosystem des Time-Sensitive Networking spiegelt die unerbittliche industrielle Nachfrage nach schnelleren, intelligenteren und zuverlässigeren Systemen wider. Während spezialisierte Echtzeit-Ethernet-Protokolle die Timing-Herausforderung für bestimmte Anbieter erfolgreich gelöst haben, erreicht TSN sie universell. Durch die Standardisierung des Verhaltens des Netzwerks selbst ermöglicht TSN echte Interoperabilität, vereinfacht das Systemdesign und bietet die robuste, konvergente Netzwerkinfrastruktur, die für die Fabriken der Zukunft erforderlich ist. Wenn TSN reift und sich in drahtlose 5G- und sichere OPC-UA-Frameworks integriert, wird es zweifellos der einzige einheitliche Standard werden, der die Lücke zwischen der digitalen Welt und der physischen Produktionslinie schließt.