Das Potenzial der Kombination aus TSN und 5G haben auch das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT sowie einige Maschinenbau-, Robotik- und Netzwerktechnik-Unternehmen erkannt. Gemeinsam haben sie eine entsprechende Kommunikationsinfrastruktur entwickelt mit dem Ziel einer hochverfügbaren, zuverlässigen und sicheren Kommunikation von der Sensorik und Aktorik bis in die Cloud. Für drahtgebundene Kommunikation stellt TSN die Echtzeit sicher, für alle mobilen und Cloud-Verbindungen die Mobilfunktechnologie 5G.
Ein Anwendungsfall ist die präzise Ansteuerung eines Roboters und eines Werkzeugs oder von zwei kooperierenden Robotern im laufenden Betrieb. Die Rechenprozesse lassen sich mit dieser Infrastruktur in die Cloud auslagern, die Ergebnisse werden dann in das System zurück übertragen. So können Roboter in hochdynamischen Produktionssystemen adaptiv und flexibel gesteuert werden, auch ohne dass sie direkt miteinander verbunden sind. Das funktioniert herstellerübergreifend auch mit bestehenden Maschinen und Anlagen. Ebenso profitieren zahlreiche andere Szenarien von dieser Kombination – oder werden dadurch erst möglich; vom autonomen Fahren über Transportanwendungen bis zur Tele-Chirurgie.
TSN für echtzeitfähiges Ethernet
Betrachten wir zunächst TSN, eine Weiterentwicklung von Standard-Ethernet. Ethernet sorgt auf der IT-Ebene, also in Büroumgebungen, für den Datenaustausch zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Industrial Ethernet ist robuster und damit auch für raue Umgebungen geeignet. Zudem bietet es dank spezieller Protokolle (z.B. Ethercat, Profinet, Modbus TCP) einen besseren Determinismus, d.h. Datenpakete werden zu vorhersagbaren Zeitpunkten gesendet bzw. empfangen, ein Datenverlust ist ausgeschlossen.
Was jedoch auch Industrial Ethernet nicht garantiert, ist Echtzeit. Hierfür hat die IEEE 802.1 Task Group eine Reihe an Sub-Standards entwickelt, die unter dem Begriff Time-Sensitive Networking (TSN) bekannt sind. Sie definieren Protokolle für das Timing und die Zeitsynchronisation (IEEE 802.1AS) sowie für die Konfiguration (v.a. IEE 802.1Qcc) und Regelung des Datenverkehrs (Traffic Shaping und Scheduling, IEE 802.1CB, IEE 802.1Qbu, IEE 802.1Qbv u.a.). Damit gibt es einen gemeinsamen Zeitplan, der festlegt, wann Datenpakete mit Priorisierung weitergeleitet werden.
TSN deckt nicht alle sieben Layer des OSI-Schichtenmodells ab, dem Referenzmodell für Netzwerkprotokolle, bei dem jede Schicht die Kommunikation zwischen zwei Systemen mit spezifischen Aufgaben und Funktionen definiert. TSN betrifft die Schichten 1 und 2 sowie den Echtzeit-Aspekt, der sich vertikal durch das Modell zieht. Es sind also weitere Protokolle für die höheren Schichten notwendig. Unternehmen können hier ihre bestehenden Standards weiter nutzen, etwa OPC UA. Diese profitieren von der Echtzeitgarantie durch TSN, ohne dass sie hierfür angepasst werden müssten.
Was bedeutet Echtzeit?
Um in einem Netzwerk Echtzeit zu gewährleisten, sind folgende Aspekte nötig:
- Jedes Gerät benötigt eine präzise interne Uhr, so dass jedes Datenpaket einen Zeitstempel erhalten kann.
- Alle Geräte innerhalb des Netzwerks müssen zeitsynchron sein.
- Eine (ultra-)geringe Latenzzeit, also ein enger Zeitrahmen innerhalb dessen ein Datenpaket übertragen wird. Zeitkritische Anwendungen benötigen eine ultrageringe Latenz (Ultra-Low-Latency, ULL) von wenigen Millisekunden oder sogar unter einer Millisekunde, und zwar vom Zeitpunkt des Übertragungsbeginns bis zum vollständigen Empfang, also Ende-zu-Ende.
- Geringer Jitter: Die Latenzzeit ist stets mit zeitlichen Schwankungen verbunden, der sogenannte Jitter (Phasenrauschen). Manche industriellen Steuerungsanwendungen erfordern einen Jitter von max. wenigen Mikrosekunden, andere kommen mit Verzögerungen von bis zu einer Millisekunde aus.
Jitter und Latenzzeit bilden auch die wichtigsten Kennziffern für die Dienstgüte (Quality of Service, QoS) eines ULL-Netzwerks.
Interoperabilität und IT/OT-Konvergenz
Dank offener Standards erlaubt TSN die hersteller- und plattformunabhängige Interoperabilität verschiedener Geräte, Maschinen und Anlagen, analog zu Standard-Ethernet auf der IT-Ebene. Diese Standard-Ethernet-Komponenten lassen sich in TSN integrieren; damit stellt TSN die durchgängige Verbindung der IT- (Information Technology) und OT- (Operational Technology) Ebenen her. Kritische und unkritische Systeme mit unterschiedlichen Traffic-Klassen können im selben Netzwerk laufen.
Mit Bandbreiten von 10Gbps bis zu 400Gbps – im Gegensatz zu den 100Mbps, die bei Industrial-Ethernet-Netzwerken üblich sind – beantwortet TSN zudem die Anforderungen durch immer größere Datenmengen.
Bislang sind erst einige der TSN-Substandards ratifiziert, andere sind noch in Arbeit. Dennoch können die bestehenden Standards sofort implementiert werden; sie gewährleisten bereits die Echtzeit-Kommunikation und lassen sich auf künftige Standards anpassen.
Echtzeit auch drahtlos mit 5G
Mit 5G lässt sich die Echtzeitfähigkeit durchgängig von TSN auf Mobilfunk-Netze erweitern. 5G ermöglicht nicht nur ultrageringe Latenzzeiten (ULL) und eine präzise Zeitsynchronisation, sondern auch ungleich mehr Zuverlässigkeit, Reichweite und Bandbreite als die Vorgänger-Technologien bei höherer Energieeffizienz.
Zudem erlaubt 5G den Aufbau privater, für die Öffentlichkeit unzugänglicher Netzwerke. Sie bringen noch einmal einen erheblichen Gewinn bei Leistung, Datenschutz und Sicherheit des Netzwerks, außerdem eine garantierte Dienstgüte. Damit legt 5G den Grundstein für die sichere Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinen und Anlagen, Robotern und Komponenten – vom Sensor und Aktor bis in die Cloud. Beim Aufbau eines TSN-Netzwerkes empfiehlt es sich deshalb, die Einbindung von 5G gleich mit in Betracht zu ziehen, um eine zukunftsfähige und skalierbare Lösung zu erhalten.
Integration von 5G in ein TSN-Netzwerk
Wie die Integration der TSN-Zeitsynchronisation (IEEE 802.1AS) konform mit 5G aussehen kann, zeigt ein Konzept der Forschungsgruppe des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI), der TU Kaiserslautern und der Nokia Bell Labs (Abbildung 1). Das 5G-System besteht aus einer 5G-Basisstation (gNB) und einem 5G-Kernnetz (5GC) sowie mehreren Endgeräten (UE). Eines dieser Endgeräte (Reference UE) ist als Teil des Referenzsystems mit dem drahtgebundenen TSN-Netz verbunden. Es muss IEEE 802.1AS unterstützen, damit es über den Grandmaster mit der TSN-Zeit synchronisiert werden kann.
Zudem hat das 5G-System einen eigenen Synchronisationsmechanismus: Jede 5G-Basisstation (gNB) synchronisiert mit Hilfe des primären (PSS) und sekundären Synchronisationssignals (SSS) die mit ihr vernetzten Endgeräte. Über diese Signale erkennen die Endgeräte auch ihre Funkzelle und den Funkrahmen, zusammen mit spezifischen Synchronisationsalgorithmen können sie Frequenz- und Zeitabweichungen anpassen. Außerdem wird jede eingehende System Frame Number (SFN) mit der aktuellen Zeit des Referenz-Endgeräts gepaart und an jedes verbundene Endgerät gesendet. Wird OPC UA PubSub für die Verteilung genutzt, lassen sich alle Endgeräte synchronisieren, die mit der Basisstation verbunden sind.
Durch die Synchronisation zwischen der Basisstation und den verbundenen Endgeräten muss lediglich der Versatz zur entsprechenden TSN-Zeit identifiziert werden.
Die Nachrichtenschichten zeigt Abbildung 2. Als Transportprotokoll wird das User Datagram Protocol (UDP) in Kombination mit Multicast genutzt. Damit erhält jedes Gerät, das zur Multicast-Gruppe gehört, die abonnierten Nachrichten.
Wie Abbildung 3 zeigt, konnte das Forschungsteam mit diesem Aufbau mit einem Synchronisationsintervall von 31,25ms eine Synchronität zwischen einem Evaluation-Kit und einem Intel NUC Mini-PC von 350ns erzielen.
Fazit
TSN hebt Standard-Ethernet auf eine neue Stufe der Echtzeit-Kommunikation. Es erlaubt die durchgängige und herstellerunabhängige Verbindung von IT- und OT-Geräten. 5G erweitert diese Möglichkeiten auf mobile Verbindungen. Die Kombination beider Technologien legt den Grundstein für kollaborative Robotik bzw. die zuverlässige Steuerung hochdynamischer Produktionssysteme inklusive mobiler Roboter, für Warentransportsysteme, assistiertes und autonomes Fahren, Tele-Chirurgie sowie Augmented- und Virtual-Reality-Anwendungen.
Solution Provider für TSN und 5G
Alle notwendigen Produkte für die Umsetzung einer TSN- und 5G-Infrastruktur finden sich im Portfolio von Rutronik. Die Applikationsingenieure, Produkt- und Linemanager unterstützen bei der Umsetzung.
Prozessoren und Boards mit TSN-Unterstützung
Die Intel 10nm-Prozessoren Atom® x6000E sowie Pentium® und Celeron® der Produktreihen N und J integrieren 2,5-GbE-MACs mit TSN-Funktionen. Im Vergleich zur Vorgängergeneration bieten sie eine bis zu 1,7-fach höhere Einzel-Thread- und bis zu 1,5-fach höhere Multi-Thread-Leistung sowie doppelte Grafikleistung. Die UHD-Grafik liefert eine Auflösung von bis zu 4kp60 auf bis zu drei Displays gleichzeitig. Ihre Programmable Services Engine (PSE) mit Arm Cortex-M7-Mikrocontroller bietet eine unabhängige Rechenleistung mit niedrigen DMIPs und I/Os für IoT-Anwendungen. Hinzu kommen ein Netzwerk-Proxy, Embedded-Controller und Sensor-Hub. Für die Fern-Überwachung und -Verwaltung bzw. Firmware- und Software-Updates aus der Ferne verfügen die Prozessoren über In-Band-Funktion über WLAN oder Ethernet, alternativ lässt sich die Out-of-Band-Verwaltung über kabelgebundenes Ethernet nutzen.
Auf Basis dieser Intel-Prozessoren sind zahlreiche Boards verschiedener Hersteller bei Rutronik verfügbar: Das SMC-93 von Seco ist das erste SMARC-Modul, das speziell für die funktionale Sicherheit sicherheitsrelevanter Systeme entwickelt wurde.
Advantech bietet ein SMARC2.1-Modul mit bis zu vier Cores und einer um 40% besseren CPU-Leistung sowie verbesserter Grafikleistung verglichen mit früheren Modellen. Das SOM-2532 unterstützt u.a. zwei GbE LAN für TSN PHY für eine echtzeitfähige Gerätekommunikation sowie USB 3.2 Gen2 und PCIe Gen3. Interessant für datenintensive Anwendungen: Mit CAN-FD ermöglicht es erheblich höhere Datenübertragungsraten und erzielt die zehnfache Geschwindigkeit der Nutzdatenübertragung. Die WISE-DeviceOn-Software von Advantech sorgt für stabilen Betrieb und eine komfortable Fernverwaltung der IoT-Geräte. Damit empfiehlt sich das SOM-2532 vor allem für Anwendungen in der Automatisierungs- und Medizintechnik sowie im Transportwesen.
Der 3,5-Zoll-SBC (Single-Board-Computer) MIO-5152 von Advantech ist ebenfalls mit den neuesten Intel-Prozessoren und Advantechs WISE-DeviceOn ausgestattet. Es hat DDR4-3200 bis 32GB integriert und bietet zahlreiche Schnittstellen, u.a. HDMI2.0/DP/LVDS, Dual-GbE, 4x USB3.2, 4x USB2.0, 6x UARTs und TPM.
Auch Kontron bietet ein SMARC2.1-Modul (SMARC-sXEL (E2)), außerdem zwei COM-Express-Modelle mit TSN-Unterstützung (COMe-mEL10 (E2) COM Express mini Type 10 und COMe-cEL6 (E2) COM Express Compact Type 6). Alle drei sind in Varianten mit Intel Atom x6000E, Pentium oder Celeron erhältlich, und bieten zahlreiche Schnittstellen.
Ein vergleichbares Board im Thin Mini-ITX Formfaktor ist bei DFI erhältlich. Es basiert auf dem Intel Atom Prozessor der X6000 Serie.
Eine sofort einsatzbereite TSN-Systemlösung hat Kontron entwickelt: Das KBox C-102-2 TSN-Starterkit beinhaltet den IPC KBox C-102-2 und die Gigabit-Ethernet-Schnittstellenkarte PCIe-0400-TSN mit TSN-Unterstützung. Die Vierfach-Netzwerkschnittstellen mit Switching-Funktion basieren auf Standard-Ethernet nach IEEE 802.3 und ermöglichen den Aufbau deterministischer Steuerungsanwendungen in konvergenten Netzwerken von der OT- bis zur IT-Ebene ohne zusätzliche Switches. Das System kommt mit Realtime Linux und einem Netzwerkmanagement-Tool für die schnelle Einrichtung eines TSN-Netzwerks. Upgrade-fähige Hard- und Software machen die Lösung offen für neue und weiterentwickelte TSN-Standards. Zu den Zielanwendungen gehören deterministische industrielle Steuerungscomputer und Server, konvergente Netzwerke für kritischen und nicht-kritischen Datenverkehr sowie der Schutz des deterministischen Datenverkehrs vor bösartigen Angriffen.
5G-Karten, -Modems und -Antennen
Eine Auswahl an Hardwarekomponenten für den Aufbau eines 5G-Campus-Netzwerks, darunter 5G-Karten und -Modems sowie Antennen, gehören ebenfalls zum Rutronik-Produktportfolio. Dazu gehört eine der weltweit ersten verfügbaren 5G-Lösungen: Die 5G-M.2-Karte FN980 von Telit, die die LTE- und 5G Sub-6GHz-Bänder weltweit unterstützt. Mit einem Formfaktor von 30 x 50mm und einem Temperaturbereich von -40 bis +85°C eignet sie sich auch für den Einsatz im Industriebereich. Die Variante FN980m unterstützt zudem die neuen mmWave-Frequenzbänder über 30GHz. Die Telit-Karten basieren, wie auch die 5G-M.2-Module der AIW-355-Familie von Advantech, auf dem Snapdragon™ X55 5G-Chipsatz von Qualcomm. Im Unterschied zu Telit setzt Advantech mit der AIW-355-Familie jedoch auf eigene Varianten für Europa, Nordamerika und Japan. Ihr Formfaktor ist mit 30 x 52mm etwas größer, der Temperaturbereich mit -10 bis +55°C geringer. Die 5G-M.2-Karten beider Hersteller verfügen über mehrere 5G- und GNSS-Antennen-Steckplätze.
Verschiedene 5G-Antennen bietet Rutronik von 2J, AVX und PulseLarsen. Die kompakte 5G-SMD-Antenne W3415 von PulseLarsen deckt mit einer Größe von nur 40x7x3mm alle Sub-6GHz-Bänder (4G und 5G) ab. Die Ultrabreitband-Dipolantenne der Serie W3554 von PulseLarsen eignet sich mit dem Frequenzspektrum von 698-6.000MHz für 5G-Anwendungen ebenso wie für 2G, 3G, 4G, GNSS, WiFi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Zigbee und die ISM-Bänder 868, 915, 2400 und 5.000MHz. Die PCB-Antenne misst nur 30x120x0,2mm.
Für den Aufbau eines eigenen Campus-Netzes gibt es bei Rutronik zudem spezielle 5G-Netzteile von FSP. Sie eignen sich zur Versorgung von Base Stations, Access Networks, Data Center oder einzelnen Netzwerkteilnehmern.
Weitere Informationen und eine direkte Bestellmöglichkeit finden Sie auch auf unserer e-Commerce-Plattform www.rutronik24.com.
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