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Seit rund 40 Jahren ist Ethernet der unumstrittene Platzhirsch bei der kabelgebundenen Übertragung digitaler Daten. Von Anfang an dabei: Siemens – mit dem ersten Industrial-Ethernet-Netzwerk am Markt namens SINEC H1.
Industrie
3 min

Ethernet 4.0

Kabelgebundene Datenübertragung wird durch neue Industrie-Kommunikations-Technologie fit für Echtzeitkommunikation.

Völlig im Gleichtakt bewegen sie ihre stählernen Arme und winken dem Betrachter synchron mit ihren Greifern zu. Nicht die kleinste Verzögerung ist zu erkennen, wenn die beiden Industrieroboter ihr anmutiges Maschinen-Ballett vorführen. Hinter der perfekten Abstimmung steckt eine Technologie, die gerade eine neue Ära der industriellen Kommunikation einläutet: Time-Sensitive Networking (TSN).

Seit rund 40 Jahren ist Ethernet der unumstrittene Platzhirsch bei der kabelgebundenen Übertragung digitaler Daten. Von Anfang an dabei: Siemens – mit dem ersten Industrial-Ethernet-Netzwerk am Markt namens SINEC H1. Damit hielt Ethernet nicht nur Einzug in die Büros, sondern vor allem auch in die industrielle Fertigung. Allerdings gab es bei dem Standard von Beginn an ein Problem: Er konnte nicht garantieren, dass die vom Sender verschickten Datenpakete innerhalb einer bestimmten Zeit beim Empfänger ankommen. Für industrielle Steuerungen ist das inakzeptabel – Sensormesswerte und Steuersignale dürfen nicht zu lange unterwegs sein, wenn eine Maschine zuverlässig funktionieren soll. Sie erfordern eine Echtzeitkommunikation im Millisekunden-Bereich, wofür Ethernet jedoch ursprünglich gar nicht gedacht war.

Wer heute über Ethernet Echtzeitkommunikation betreiben will, muss darum zu technischen Erweiterungen greifen – so wie etwa beim weitverbreiteten Profinet-Standard: Dieser bindet beispielsweise innerhalb von Maschinen Sensoren, Aktuatoren und Antriebe an die zentrale Steuerung an und erweitert Ethernet zu diesem Zweck um die Möglichkeit, Daten in Echtzeit zu übertragen – bis hin zur hochgenauen Regelung von Servoantrieben. „Dafür benötigt man derzeit aber meist spezielle Hardware-Bausteine in den angeschlossenen Geräten“, erklärt Matthias Gärtner, Head of System Management im Bereich der Simatic-Steuerungen bei Siemens. „Außerdem lassen sich die verschiedenen Industrial Ethernet Echtzeit-Lösungen nicht parallel auf dem gleichen Ethernet-Netzwerk betreiben.“

Kommunikation in Echtzeit

Damit ist in Zukunft Schluss. Denn das Standardisierungsgremium IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hat Ethernet inzwischen um die für die Echtzeitkommunikation dringend benötigten Mechanismen, zum Beispiel zeitgesteuertes Senden, Synchronisation oder Bandbreitenreservierung, erweitert, um auf diese Weise eine verbesserte, sogenannte Quality of Service zu erreichen: nämlich mittels TSN. Damit kann Ethernet künftig alle angeschlossenen Geräte, die diese erweiterten Standards unterstützen, mit einer gemeinsamen Zeitinformation versorgen, sodass das gesamte Netzwerk präzise im gleichen Takt arbeitet. Außerdem sorgen Reservierungsprotokolle dafür, dass die Datenpakete nach einem vorgegebenen Fahrplan vom Sender über alle Zwischenstationen zum Ziel gelangen. Dabei wird auch die Topologie des Netzwerks berücksichtigt – also beispielsweise, ob es stern-, ring- oder linienförmig ausgelegt ist und wie viele Verteilstationen (Switches) zwischen Sender und Empfänger liegen. Sogar stoßfreie Redundanzverfahren sind in den TSN-Standards enthalten.

Ein Netzwerk für alle Daten

„Das ist in der Ethernet-Welt ein historischer Moment“, so Gärtner. „In Zukunft können Standard-Hardwarebausteine für Profinet und andere auf TSN aufsetzende industrielle Echtzeit-Kommunikationsprotokolle genutzt werden. Auf diese Weise können dann alle Daten – auch echtzeitfähige – quasi gleichzeitig in einem einzigen Netzwerk übertragen werden.“ Die Nutzer profitieren automatisch von der immer höheren Bandbreite im Standard-Ethernet, die im Zuge der steigenden IP-Konnektivität in den Automatisierungsanlagen auch mehr und mehr benötigt werden wird. Zudem wird die Kommunikation robuster, weil in den TSN-Switches die Switch-Ressourcen fest für den anliegenden Echtzeit-Kommunikationsbedarf reserviert werden, damit keine Informationen mehr etwa durch Pufferüberläufe verloren gehen können.

Neben der Nachfrage nach einer echtzeitfähigen Kommunikation innerhalb von Maschinen über Profinet steigt auch die Nachfrage nach einem deterministischen, das heißt festgelegten, Datenaustausch zwischen verschiedenen Maschinen – etwa für kooperierende Roboter, die gleichzeitig an ein und demselben Werkstück arbeiten und ihre Abläufe darum exakt aufeinander abstimmen müssen. Dafür hat sich inzwischen der Standard OPC UA mit der Erweiterung PubSub (Publish/Subscribe) etabliert, der ebenfalls Ethernet mit TSN als Übertragungsmedium nutzen kann. „Ich gehe stark davon aus, dass Ethernet mit TSN Einzug in die komplette industrielle Fertigung hält“, sagt Gärtner. „Und nicht nur das: Die Automobilhersteller wollen den neuen Standard auch dafür nutzen, beispielsweise innerhalb von Fahrzeugen die großen Datenmengen der Rückfahrkameras zu übertragen oder das autonome Fahren zu ermöglichen, das ohne Netzwerke mit Quality-of-Service-Mechanismen in den Autos nicht möglich ist.“ Dafür ist die Zeit jetzt gekommen: Erste TSN-Bausteine kommen nun auf den Markt. Auf der Hannover Messe 2018 hat Siemens die deterministische Maschine-zu-Maschine-Kommunikation über OPC UA PubSub mit realen TSN-Produkten demonstriert. Ende des Jahres werden sie zu kaufen sein – dann ist Ethernet mit TSN endgültig im Zeitalter von Digitalisierung und Industrie 4.0 angekommen.

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