Mit TSN zum Standard-Ethernet
Der Switch TSN 2316 ist einer der ersten Ethernet-Switches für TSN von Phoenix Contact; er ermöglicht TSN auf bis zu 16 Gigabit-Ports, sodass ein Aufbau von Anwendungen mit präziser Zeitsynchronisierung und hohen Echtzeitanforderungen realisiert werden kann. (Quelle: Phoenix Contact)
M. Müller erläutert, dass die Integration von Time Sensitive Networking (TSN) in die industrielle Kommunikation eine Herausforderung darstellt, da es eine Abstimmung unterschiedlicher Akteure erfordert, ähnlich einem demokratischen System. TSN vereint diverse Standards, von denen nur ein Teil für industrielle Zwecke relevant ist.
Für die Kommunikation zwischen Controllern wurde mit OPC UA FLC ein wichtiges Kommunikationsprotokoll und Datenmodell entwickelt, das es ermöglicht, Maschinen mit verschiedenen Steuerungseinheiten zu verbinden. Dies betrachtet M. Müller als einen bedeutenden Fortschritt.
Die Implementierung von TSN für die Kommunikation von Controllern zu Feldgeräten ist jedoch noch in der Findungsphase, mit verschiedenen Ideen und Konzepten, die in Erwägung gezogen werden. Die Kernfrage dabei ist, ob ein universell einsetzbares System entwickelt werden soll, das alle Anforderungen abdeckt, oder ein System, das für die Mehrheit der Standardanwendungen ausreichend ist. In diesem Spannungsfeld befindet sich gerade das IEC/IEEE-Projekt 60802, in dem ein Industrial-Automation-Profil basierend auf TSN-Standards spezifiziert werden soll. M. Müller verweist in diesem Kontext auf Profinet RT, welches für die Mehrheit der Anwendungen ausreicht. Ein universelles System, welches anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen einschließt, würde mehr Konfigurationsaufwand erfordern. Die Kostenfrage ist für M. Müller ebenfalls von Bedeutung, da die Komplexität der Technologie auch die Kosten beeinflusst. Er betont die Notwendigkeit, TSN mit einem angemessenen Aufwand einsetzen zu können, um Applikationen robuster gegenüber unvorhersehbaren Veränderungen zu machen. M. Müller ist optimistisch, dass ein Kompromiss gefunden werden kann.
Zukünftig wird auch Gigabit Ethernet an Bedeutung gewinnen, obwohl aktuell 100 Mbit/s für viele Anwendungen ausreichen. Die Umstellung auf Gigabit-Ethernet bringt zusätzlichen Implementierungsaufwand und Energieverbrauch mit sich, weshalb es primär für zukünftige Technologiegenerationen von Interesse sein wird. Der Manager unterstreicht damit die Bedeutung einer ausgewogenen Herangehensweise an neue Technologien, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden, ohne unnötige Kosten oder Komplexität zu verursachen.
SPE: Ethernet auf zwei Drähten
M. Müller beleuchtet die Bedeutung von Single Pair Ethernet (SPE) für die industrielle Kommunikation und dessen Potenzial, die Landschaft der Vernetzung grundlegend zu verändern. SPE zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, mit einer Übertragungsrate von 10 Mbit/s über Distanzen von bis zu 1 000 Metern zu kommunizieren, wie es die IEEE 802.3cg vorsieht. Ursprünglich für die Automobilindustrie entwickelt, zielte SPE darauf ab, durch die Reduktion von Kabelsträngen Gewicht zu sparen und eine einheitliche Plattform für bisher getrennte Protokolle, wie CAN und FlexRay, zu schaffen, wodurch die Notwendigkeit spezifischer Gateways entfällt. Selbst einfache Geräte, wie z.B. Fensterbedienelemente, können in das Netzwerk integriert werden, was eine vollständige Vernetzung innerhalb des Fahrzeugs ermöglicht.
Die Ethernet-APL-Initiative, die etwa vor zwölf Jahren ins Leben gerufen wurde, erweiterte die Vision auf die Prozessautomation, da hier über lange Distanzen die Kabelkosten besonders ins Gewicht fallen.
Dann entstand die Idee, SPE für die Fertigungsautomation zu nutzen, mit dem Ziel, Feldgeräte direkt und ohne den Umweg über spezifische Protokolle an Ethernet anzubinden. Die Frage, ob SPE in Konkurrenz zu IO-Link steht, beantwortet M. Müller mit dem Hinweis auf Überlegungen, IO-Link-Protokolle über SPE zu übertragen. Er betont die Notwendigkeit, zwischen hochwertigen und einfachen Sensoren zu unterscheiden und die Wirtschaftlichkeit von Netzwerkanschlüssen für einfache Sensoren zu bewerten.
M. Müller prognostiziert, dass eine durchgängige Implementierung von SPE die bestehende IO-Ebene überflüssig machen könnte, was zu einer vereinheitlichten Ethernet-Infrastruktur mit modular aufgebauten Switches führen würde. Die Abschaffung von Gateways und die digitale Anbindung aller Geräte würden die Diagnose und Systemkonfiguration vereinfachen.
Die Anbindung eines Sensors würde nur noch durch die Wahl des physischen Übertragungsmediums – sei es SPE, Standard-Ethernet, Bluetooth oder WLAN – bestimmt, wobei das zugrundeliegende Protokoll stets IP-basiert wäre. M. Müller betont die Flexibilität und Möglichkeiten, die durch neue Technologien, einschließlich drahtloser Lösungen, eröffnet werden, und vergleicht die Entscheidung zwischen Kabel- und WLAN-Verbindungen mit der Wahl zwischen stabilen und flexiblen Verbindungen im eigenen Zuhause.
Aktuell wird an der Standardisierung von Steckverbindern gearbeitet, um eine einheitliche Lösung für Daten und Energieübertragung zu schaffen. Einigkeit wurde bereits über hybride SPE-Steckverbinder erzielt. Für die IP20- und IP65-SPE-Steckverbinder ist noch eine Einigung notwendig.
Schließlich sieht M. Müller SPE als einen Wendepunkt, der die Automatisierung durch eine einheitliche, ethernetbasierte Kommunikation revolutionieren könnte, was die Robustheit des Gesamtsystems erhöht. Die Herausforderung besteht nun darin, die systemische Ebene anzugehen und die Anforderungen auf der Geräteebene präzise zu definieren, einschließlich der Festlegung von Powerklassen, um das volle Potenzial von SPE auszuschöpfen.