TSN ist durch die IEEE-802.1-Normen definiert. Sie ist auf Schicht 2 (Data Link Layer) des OSI-Referenzmodells für die Kommunikation angesiedelt. TSN macht Ethernet inhärent deterministisch und verbessert so die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Datenübertragung.
Konkret sind die Substandards IEEE 802.1AS „Timing and Synchronisation for Time-Sensitive Applications“ und IEEE 802.1Qbv „Enhancements for Scheduled Traffic“ die Eckpfeiler von TSN mit seinen innovativen Fähigkeiten. Sie schaffen die nötigen Voraussetzungen für deterministische Netzwerkeigenschaften.
Die TSN-Standards im Detail
Der erste Substandard, IEEE 802.1AS, basiert ursprünglich auf IEEE 1588 „Standard for a Precision Clock Synchronisation Protocol for Networked Measurement and Control Systems“. Er sorgt dafür, dass alle Komponenten im Netzwerk sich nach einem gemeinsamen Zeitsystem richten. So unterstützt er die Synchronisation aller Netzwerkkomponenten mit extremer Genauigkeit. Die Zeitsynchronisation übernimmt dabei ein Netzwerk-Clock-Master, auch „Grandmaster“ genannt. Dieser sendet Zeitinformationen im Format von Ethernet-Paketen sowohl an jeden Netzwerkteilknoten als auch an das „Time-Aware System“ im Netzwerk.
Dadurch arbeiten alle Netzwerkkomponenten nach dem gleichen Takt und minimieren die Wahrscheinlichkeit von Zeitabweichungen (Jitter), die die Datenübertragung verzögern. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu Standard-Ethernet-Netzwerken, in denen jedes Gerät seinem individuellen internen Takt folgt. Hier summieren sich Zeitfehler auf und führen zu unerwünschtem Jittern.
IEEE 802.1Qbv nutzt die von IEEE 802.1AS geschaffene synchronisierte Umgebung für effektive Traffic-Scheduling-Systeme. Dieser Substandard sieht Netzwerk-Switche mit sogenannten Time-Aware-Shapers (TAS) vor, um zeitkritische Daten, wie Bewegungs- und Steuerungsdaten, zu transportieren. TAS ermöglichen die Priorisierung dringender und regelmäßiger Daten mithilfe periodischer Zeitfenster (Slots), die durch ein Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiple Access, TDMA) geschaffen werden. Innerhalb dieser Slots werden ausschließlich terminierte oder reservierte zeit- oder missionskritische Daten übertragen, und zwar kollisionsfrei.
Da alle TAS und Netzwerkkomponenten synchronisiert sind, „weiß“ jeder Teilnehmer, wann priorisierte Daten gesendet und verarbeitet werden. Die Sende- und Empfangszeiten sind auf diese Weise über die Traffic-Definitionen der Datenpakete festgelegt.
Determinismus unterstützt Datenkonvergenz
Die TSN-Standards verhindern potenzielle Datenverluste, indem sie eine Überlastung des Netzwerks ausschließen. Durch Traffic-Planung und den daraus resultierenden Determinismus können Unternehmen unterschiedliche Arten von Datenflüssen in einem einzigen Netzwerk zusammenführen. So lassen sich beispielsweise E/A- und Motion-Control-Daten ohne Leistungseinbußen mit der Kommunikation für die funktionale Sicherheit kombinieren. Darüber hinaus können sogar Ethernet-Datenpakete von Kameras, Barcode-Lesegeräten, Druckern und anderen Ethernet-Protokollen durch dasselbe Netzwerk transportiert werden.
Unternehmen können durch einfachere Netzwerkarchitekturen und bessere Nutzung der verfügbaren Netzwerkbandbreite vor allem ihre Investitionsausgaben (CAPEX) deutlich reduzieren. Zudem minimieren klar strukturierte Netzwerkarchitekturen das Risiko von Ausfallzeiten, weil sie die Identifikation von Fehlern und deren Beseitigung erleichtern.
Außerdem gewinnt die Netzwerkinfrastruktur an Flexibilität: Automatisierungsgeräte können einfach hinzugefügt, entfernt oder neu konfiguriert werden. Auch unterschiedliche Konfigurationsphilosophien werden hierbei unterstützt. Nicht zuletzt können die durch TSN mögliche Transparenz und Konvergenz dazu beitragen, dass einzelne Unternehmensbereiche auf relevante Daten aus verschiedenen Unternehmensebenen zugreifen können. Hieraus ergeben sich wichtige Chancen für die Produktivitätsoptimierung von Unternehmen.
Konvergenz ist der Dreh- und Angelpunkt der automatisierten Fertigung
Noch weiter steigern lassen sich Prozesstransparenz und Produktivität, wenn Unternehmen mithilfe von TSN die Bereiche der Informationstechnik (IT) und der Operational Technology (OT) zusammenführen. Hierbei liefern Strategien der digitalen Transformation automatisierte Informationen zur Optimierung wichtiger Abläufe.
Die Datentransparenz und -konvergenz von TSN ermöglicht es Unternehmen, IT und OT zusammenzuführen und mehr relevante Daten aus ihren industriellen Prozessen zu bekommen. Diese Daten lassen sich mit immer genaueren und smarteren Prognosemodellen analysieren, um aussagekräftige Informationen über die Abläufe der Fertigung zu gewinnen. Dieses fundierte Wissen ist eine wertvolle Ressource für die Steigerung von Leistung, Produktivität, Effizienz und Endproduktqualität.
Letzten Endes schafft TSN die Voraussetzungen für wettbewerbsfähige und zukunftssichere Connected Industries für Industrie-4.0-Applikationen. Aber auch für andere vielversprechende Innovationen, wie 5G-Netzwerke, ist die TSN-Technologie gut gerüstet. Für Unternehmen ist daher jetzt der richtige Zeitpunkt, über die Implementierung von TSN nachzudenken. „Early Adopters“ erfüllen nicht nur all ihre aktuellen Bedürfnisse, sondern bringen sich auch für die Zukunft der industriellen Kommunikation in Position.
CC-link IE TSN: Ethernet mit Gigabit-Bandbreite und TSN-Funktionen
CC-link IE TSN ist eine wichtige Lösung, die Unternehmen in diesem Zusammenhang prüfen sollten, denn CC-link IE TSN ist das erste industrielle Ethernet, das neben der Gigabit-Bandbreite auch TSN-Funktionen bietet. Hierfür gibt es bereits eine umfangreiche Auswahl an kompatiblen Automatisierungskomponenten und ein umfassendes Ökosystem für diverse Entwicklungsoptionen nach Industriestandard.
Mit CC-Link IE TSN steht Unternehmen eine bewährte Technologie zur Verfügung, mit der sie das volle Potenzial von TSN nutzen können. Die innovativen Fähigkeiten und hochmodernen Produkte und Anwendungen von CC-Link IE TSN unterstützen Industrie-4.0-Umgebungen.
