Time-Sensitive Networking

Time-Sensitive Networking (TSN) - Die Zukunft mit Advantech

Time-Sensitive Networking (TSN) soll als Technologie industrielle IT- und OT-Netze nahtlos miteinander verknüpfen. Die meisten Standardisierungsgremien und Nutzerorganisationen in der Industrie haben TSN anfangs noch skeptisch gesehen, doch inzwischen will jede Organisation TSN auf eine gewisse Art und Weise in ihr Standard integrieren. Dementsprechend möchten wir in diesem Blog-Artikel unsere Leser über die Rolle von TSN in der industriellen Vernetzung und in der Verbindung von OT und IT aufklären sowie einige aktuelle TSN-fähige Produkte von unserem Partner Advantech vorstellen.

Time-Sensitive Networking (TSN) gehört die Zukunft

Die Digitalisierung legt hohe Maßstäbe und fasst neue Anforderungen an die industrielle Kommunikation in Bezug auf die Offenheit, Robustheit oder Deterministik, um eine leistungsfähige vernetzte Produktion zu ermöglichen. Um einige dieser Anforderungen zu erfüllen, wurde TSN von IEEE 802.1 TSN-Taskforces entwickelt und setzt sich entsprechend aus einigen Ethernet-Substandard-Definitionen zusammen, die dafür sorgen sollen, einen zeitempfindlichen Mechanismus für das Ethernet-Protokoll zu etablieren, um sicherzustellen, dass alle Netzwerkdatenübertragungen in derselben Architektur durchgeführt werden und Zeitdeterminismus garantieren. Denn es ist kein Geheimnis, dass wenn verschiedene Protokolle in derselben Infrastruktur ausgeführt werden, besteht die größte Herausforderung darin, kritische und unkritische Datenflüsse so zu konfigurieren, dass weder die Echtzeit noch die Leistung beeinträchtigt werden. So ist vereinfacht gesagt TSN eine Technologie zur Steuerung der Kommunikationsbandbreite auf der Grundlage der Einstellung der Priorität von Kommunikationsrahmen unter Verwendung der Zeitteilungsmethode der Ethernet-Kommunikationsbandbreite, die den Determinismus und die Zuverlässigkeit des Standard-Ethernets verbessert und es dem Ethernet ermöglicht, sowohl stabile als auch konsistente Übertragungsdienste für kritische Daten bereitzustellen. Somit unterstützt TSN die OT/IT-Konferenz, indem es die Anforderungen an Echtzeit bei einer Vielzahl an Knoten erfüllt.

Doch die Technologie hinter TSN ist nicht neu – lediglich der Name für den Einsatz der bereits seit 2006 vorangetriebenen Technologie im industriellen Kontext, um die Visionen von industriellem Internet of Things (IIoT) zu erreichen. Im Jahr 2006 gründete die IEEE 802.1 Arbeitsgruppe die AVB Audio and Video Bridging Task Force, mit dem Ziel, die Hindernisse bei der synchronen Echtzeitübertragung von Daten in Audio- und Videonetzwerken zu beseitigen. So wird TSN bereits seit über einem Jahrzehnt entwickelt, um die Möglichkeiten der Audio- und Videonetzwerke in Bezug auf eine hohe Bandbreite und beinahe Echtzeit im industriellen Kontext einzusetzen. Im Jahr 2012 wurde die AVB Task Force in TSN Task Force umbenannt.

TSN ist nach dem OSI-Schichten-Modell auf der 2. Schicht (Data Link Layer) angesiedelt. TSN basiert auf Ethernet und verfügt über die Funktionen der Zeitsynchronisation und Verzögerungsgarantie. Konkret sind die Substandards IEEE 802.1AS „Timing and Synchronisation for Time-Sensitive Applications“ und IEEE 802.1Qbv „Enhancements for Scheduled Traffic“ für die Umsetzung der Deterministik durch den Standard verantwortlich. Die Zeitsynchronisation übernimmt dabei ein Netzwerk-Clock-Master. So arbeiten alle Netzwerkgeräte im gleichen Takt und die Entstehung von Abweichungen in der Netzwerkübertragung (sog. Jitter) wird im Vergleich zum gewöhnlichen Ethernet unterdrückt. Dennoch hängt die Echtzeitfähigkeit von TSN in einem industriellen Netzwerk immer noch von der Anzahl der Hubs und der Switches und der Netzwerkgröße ab.

Wie funktioniert TSN

TSN basiert zunächst mal auf einem Standard for a Precision Clock Synchronisation Protocol for Networked Measurement and Control Systems, damit alle Geräte in einem Netzwerk sich nach einem gemeinsamen Zeitsystem richten und somit eine hohe Genauigkeit erreichen. Weiterhin definiert TSN die Netzwerk-Switche als sog. Time-Aware-Shapers (TAS), um zeitkritische Maschinendaten priorisiert zu transportieren. Aufgrund der Synchronisation der zeitgenauen TAS mit den übrigen Netzwerkkomponenten, weiß das Netzwerk dank TSN stets, welche Datenpakete priorisiert übertragen werden müssen.

Direkte Vorteile von Time-Sensitive Networking:

Über TSN können industrielle Geräte in Echtzeit kommunizieren. Dadurch wird die Produktivität industrieller Geräte gesteigert, da die Maschinen gemeinsam statt unabhängig voneinander arbeiten können. Somit wird die Vision des industriellen IoT umgesetzt, indem industrielle Geräte vernetzt sind und gleichzeitig noch gewisse Echtzeitanforderungen erfüllen.

TSN wird standardisiert. Somit wird ein standardisiertes Management von industriellen Geräten zu geringeren Kosten ermöglicht.

TSN sichert Datenverluste ab, indem eine Überlastung des industriellen Netzwerks verhindert wird.

TSN ermöglicht es ohne Leistungsverluste unterschiedliche Datenflüsse (z. B. Sensordaten und Kameradaten) in einem Netzwerk in einer fest definierten Prioritätenabfolge kombinieren

Indirekte Vorteile von Time-Sensitive Networking:

Time-Sensitive Networking (TSN) erhöht potenziell die Menge der verfügbaren nützlichen Daten aus dem industriellen Hallenboden, denn bestimmte Anwendungsfälle Echtzeitdaten erfordern, die nur über TSN generiert werden können.

Die Flexibilität von TSN ermöglicht es auch neue Unternehmensbereiche zu vernetzen und insgesamt die Konvergenz von OT und IT und somit eine automatisierte Fertigung zu fördern.

So schafft TSN letztlich die technische Grundlage zur Übertragung von Daten im Kontext von echt zeitnahen Industrie-4.0-Applikationen. Es kann als Grundlage für OPC UA in der Anwendungsschicht verwendet werden und unterstützt somit zukunftsfähige Industriestandards. Auch Unternehmen wie Siemens setzen mit ihren Profinetzschnittstellen auf die Unterstützung von TSN. Zwar befindet sich der TSN-Standard weiterhin in einer stetigen Entwicklung, doch gibt es bei Advantech bereits hervorragende Produkte, die TSN unterstützen und somit echtzeitfähig sind.

Advantech EKI-8510G-2FI | 8G + 2G SFP Managed TSN Switch

Der EKI-8510G-2FI ist ein Industrie-Switch der nächsten Generation, der Echtzeitkommunikation durch Time Sensitive Networking (TSN) Technologie unterstützt. Da Switches eine kritische Komponente eines jeden industriellen Netzwerks darstellen, muss ein echtzeitfähiges Netzwerk über entsprechend befähigte Switches verfügen, die den Standard unterstützen. Mit dem EKI-8510G-2FI können sie ein echtzeitfähiges Netzwerk planen.

Advantech UNO-148

Der Advantech UNO-148 ist ein in die DIN-Schiene integrierter Controller mit modularem Design für eine flexible Konfiguration entsprechend den spezifischen Nutzungsanforderungen. Dieser Hutschienen-PC von Advantech kann bspw. als echtzeitfähiger Leitrechner oder zur Überwachung echtzeitkritischer Maschinendaten eingesetzt werden und somit sicherheitskritische Industrie-4.0-Applikationen ermöglichen.

Damit können Sie sowohl ihr bestehendes Netzwerk mit TSN-Geräten ergänzen oder ganz neue Netze auf TSN-Basis aufbauen, da Nutzerorganisationen Profibus und die CC-Link Partner Association auf TSN setzen und die Funktionalitäten von TSN für ihre Standards gezielt nutzen. Auch die OPC Foundation setzt auf TSN. Mit LP-Industrietech können Sie hochwertige industrielle Komponenten für ihr leistungsfähiges industrielles Netzwerk auf Basis von TSN von Advantech besorgen. Kontaktieren Sie uns und wir beraten Sie umfassend dazu und machen Ihnen attraktive Angebote.

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