TSN-Technologie und Kontron geben Entwicklern den entscheidenden Vorsprung
Das Industrielle Internet of Things (IIoT) ist einer der anspruchsvollsten Anwendungsbereiche für Entwickler. Um die nächste Generation intelligenter Industriesysteme zu schaffen, müssen die Anforderungen von Kunden, Management und Markt nicht nur hinsichtlich Preis, sondern auch Leistung und Funktionalität in Einklang gebracht werden. Gleichzeitig müssen Server, um eine geringe Latenzzeit und eine größere Benutzerfunktionalität zu gewährleisten, immer häufiger in der Nähe der Fabrik oder in Außenbereichen stehen und nicht in weit entfernten Serverfarmen.
Hier kommen robuste Embedded-Computing-Lösungen zum Einsatz, die auf den Standards SMARC™ (Smart Mobility Architecture) und COM Express Computer-on-Modules basieren. In Kombination mit Edge- und Fog-Computing-Technologien stehen Entwicklern viel mehr Rechenleistung und Skalierbarkeit sowie die Flexibilität zur Verfügung, mehrere Anwendungen zu steuern und zu verbinden.
Abbildung: Computing auf den Ebenen Cloud, Fog und Edge.
Es gibt noch eine weitere spannende Technologie, die es wert ist, bei der Entwicklung der nächsten Generation von IIoT-Anwendungen in Betracht gezogen zu werden. Das sogenannte Time Sensitive Networking (TSN) wurde 2012 als IEEE 802.1-Arbeitsgruppe ins Leben gerufen. TSN definiert eine Art der Vernetzung, um eine sehr geringe Übertragungslatenz und hohe Verfügbarkeit aller Teilnehmer zu gewährleisten. Es ist eine Layer-2-Ethernet-Erweiterung, die entwickelt wurde, um Ethernet-basierte Netzwerke deterministischer zu machen und war ursprünglich für Audio- und Video-Streaming in Echtzeit gedacht. Es bietet aber auch in der IIoT-Welt eine äußerst effiziente Möglichkeit der Vernetzung und ist dabei, sich zu einer Schlüsseltechnologie für die Verbindung verschiedener Steuerungssysteme in Echtzeit zu entwickeln.
Drei gute Gründe, warum TSN einen genaueren Blick wert ist:
Zeitsynchronisation
Alle an der Echtzeitkommunikation beteiligten Geräte müssen synchron arbeiten. Dies ist zwar mit einer internen Uhr möglich, kann aber kostenintensiv sein. Die Verwendung der IEEE 1588 Zeitsynchronisation macht zusätzliche Uhren oder zusätzliche Signale überflüssig, da die Zeitinformationen mit diesem Protokoll über das gesamte Netzwerk verteilt werden.
Scheduling und Traffic Shaping
Bei Verarbeitung und Weiterleitung von Kommunikationspaketen müssen alle Devices den gleichen Regeln folgen. Das bedeutet, dass es verschiedene Slices für verschiedene Datenverkehrsklassen gibt, sodass bestimmten Paketen eine andere Klasse oder eine bestimmte Priorität gegeben werden kann, wie es als Konzept aus dem Telekommunikationsmarkt bereits bekannt ist.
Einhaltung von Bandbreite und Timeslot
Mit dieser speziellen Funktion können Sie sicherstellen, dass alle Devices den gleichen Regeln bei der Reservierung von Bandweiten und Timeslots folgen.
Dabei kann mehr als ein Durchgang gleichzeitig genutzt werden, um eine Fehlertoleranz zu erreichen.
Zusammen führen diese wichtigen TSN-Funktionalitäten dazu, dass alle Teilnehmer auf der gleichen Zeitebene kommunizieren mit sehr hoher Verfügbarkeit in einem Netzwerk mit geringer Übertragungslatenz.
Warum also brauchen wir TSN?
Jüngste umfassende Untersuchungen von Markets and Markets gehen davon aus, dass der zeitkritische Netzwerkmarkt bis 2024 ein Volumen von USD 606,0 Mio. erreichen wird, was einer CAGR von 53,8% entspricht, wenn man davon ausgeht, dass dieser bis 2019 kommerzialisiert werden wird.
Die Studie untersuchte den Markt für anwendungsbasierte TSN, unterteilt nach Industrieautomation, Energie, Automotive, Transport, Öl und Gas, Luft- und Raumfahrt und andere. Sie stellte fest, dass einer der Gründe für die zunehmende Verbreitung der TSN-Technologie das Wachstum in der Fertigung und bei IIoT-Anwendungen sein wird.
Alles in allem wird TSN von vielen in der Branche als großer Durchbruch für das IIoT angesehen. Es liefert ein einheitliches, zuverlässiges, Ethernet-basiertes Netzwerk, das bei Bedarf mit Determinismus und höherer Bandbreite skaliert werden kann.
Das zunehmende Interesse an TSN ist eindeutig auf seine große zukünftige Rolle bei der Lösung der wachsenden Anforderungen an Latenz, Synchronisation, Konformität, Verfügbarkeit und QoS zurückzuführen. Selbst seltene Verzögerungen sind bei Steuerungssystemen, die in modernen Produktionslinien eingesetzt werden, nicht tolerierbar. In der Regel werden Fertigungssysteme jedoch bislang mit einer nicht standardisierten Netzwerkinfrastruktur eingesetzt. Dies hat den Zugriff auf Devices und Daten erheblich erschwert. Zudem stellt es ein Hindernis für den Einsatz einer industriellen IoT-Lösung dar, die in der Lage sein muss, auf Daten überall in der Infrastruktur zuzugreifen.
Was sind die Vorteile?
TSN kann nicht nur für Neuinstallationen und Neubauten (Greenfield) eingesetzt werden, sondern kann auch zur Erweiterung bestehender Anlagen zum Einsatz kommen, um Echtzeitfähigkeiten auf der zweite Ebene der Fabrik möglich zu machen (Fog Computing mit Echtzeit) und die Erweiterung bestehender Feldbusimplementierungen (Brownfield) zu ermöglichen.
Es ist nun möglich, verteilte Systeme zu entwickeln, die die Unsicherheit des Netzwerkverkehrs weitgehend eliminieren, sodass Echtzeitsysteme über eine einzige Einheit hinaus skaliert werden können. Und da TSN aus einer Reihe offener Standards besteht und immer mehr Hardware TSN-fähig gemacht wird, werden Standardlösungen für den Aufbau robuster IIoT-Lösungen möglich.
Neben der Echtzeit-Steuerung und Synchronisation von Hochleistungsmaschinen in einem einzigen Ethernet-Netzwerk unterstützt TSN die Interoperabilität und Integration mehrerer Hersteller. Damit können auch kritische Steuerungsanwendungen, wie sie für Robotik, Antriebs- und Bildverarbeitungssysteme notwendig sind, an das IIoT angeschlossen werden. Diese universelle Konnektivität wird es Kunden und Lieferanten ermöglichen, leichter auf Daten zuzugreifen, um präventive Wartungs- und Optimierungsroutinen für diese Art von Systemen durchzuführen.
Ethernet mit TSN versus Ethernet
Ethernet mit TSN ergänzt bestehende Ethernet-Mechanismen um Quality of Service (QoS) (einschließlich Bandbreitenreservierung), Synchronisation, niedrige Latenzen und Redundanz. Es fügt auch Determinismus und Robustheit hinzu, d.h. verschiedene Datenverkehrsklassen (z.B. Best Effort vs. Schedule) können sich zuverlässig eine einzige Leitung teilen. Und weil es über die Übertragungsgeschwindigkeit skaliert, funktioniert es sowohl mit 100Mbit/s als auch mit 1GBit/s.
In der Praxis signalisieren Anwendungen ihre Kommunikationsanforderungen im Netzwerk und erhalten dann die geforderte QoS aus dem Netzwerk. Die verschiedenen Verbindungen laufen in Streams und können dank der Ressourcenzuweisung in den Speichern der Ethernet-Switches auf Bandbreitenschutz zählen. Jeder dieser Streams kann in Echtzeit erfolgen, sodass es möglich ist, mehrere Echtzeit-Protokolle gleichzeitig in einem einzigen Netzwerk auszuführen. Im Vergleich dazu erlauben heutige Ethernet-basierte Echtzeitprotokolle nur ein echtzeitfähiges Protokoll.
Zeit, weiter zu kommen!
Mit TSN und dem Engagement Kontron, dessen vielen Vorteile nutzbar zu machen, steht eine spannende Zeit bevor für alle an der Spitze der Entwicklung industrieller IoT-Lösungen.
Kontron bietet bereits eine Netzwerkkarte auf Basis von PCI Express an, um jedes System direkt in ein TSN-Netzwerk einzubinden. Und bis Ende des Jahres wird Kontron ein Low-Power-SMARC-Modul mit integriertem TSN-fähigen Ethernet bieten. Es wird wesentlich kosteneffizienter sein als die derzeit auf dem Markt befindlichen dedizierten Lösungen. Hier finden Sie weitere Neuigkeiten über diese spannende Neuentwicklung!
Ohne Zweifel wird TSN ein entscheidender Baustein in der Zukunft der industriellen Automation sein. Und Kontron ist mit Sicherheit dabei, wenn es heisst die industriellen Lösungen der Zukunft zu entwerfen und zu entwickeln.
Mehr über unser TSN Starterkit hier.
Mehr zu Kontrons Angebot an SMARC Computer-on-Modules finden Sie hier.
Titelbild: © Gorodenkoff - Fotolia.com
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