Een bijdrage namens Thomas Kruse Product manager Network technology, Smart Home and Security, reichelt elektronik GmbH & Co. KG. Een van de vereisten voor productie volgens de principes van Industrie 4.0 is betrouwbare datacommunicatie met hoge datasnelheden en deterministisch tijdvastlegging. Time Sensitive Networking (TSN) breidt de Ethernet-standaard uit met echte real-time mogelijkheden en maakt zo de samenvoeging mogelijk van IT en OT in een gemeenschappelijk netwerk zonder de eerdere compatibiliteitstekortkomingen.
De uitvinding van de mechanische klok maakte de abstractie van tijd mogelijk als een centraal fundament van moderne samenlevingen. Het vergemakkelijkte onder andere de synchronisatie en controle van acties, werkprocessen en arbeid in fabrieken en dat tot op de seconde nauwkeurig. De Amerikaanse architect en filosoof Lewis Mumford (1895-1990) beschouwde het daarom als de belangrijkste uitvinding van de industrialisatie.
Voor de strikte synchronisatie van processen in industriële toepassingen is op veel punten realtime-capaciteit vereist. Om dit te waarborgen is een voorspelbare timing voor de datatransmissie minstens zo belangrijk als een voldoende hoge datasnelheid.
Ethernet voor industriële toepassingen
Gezien de voortdurend toenemende datavolumes in machines en installaties ligt het voor de hand om Ethernet ook voor industriële toepassingen bruikbaar te maken. Deze branche voelt zich aangetrokken tot Ethernet door de beschikbaarheid van goedkope hardware uit massaproductie. Het systeem, dat is ontwikkeld voor kantooromgevingen, heeft echter geen deterministisch timinggedrag zoals vereist door sommige industriële toepassingen.
Digitalisering en protocoldiversiteitt
Om voorspelbaar realtime gedrag met isochrone cyclustijden van minder dan één milliseconde mogelijk te maken, hebben fabrikanten van automatiseringssystemen hun eigen realtime protocollen gemaakt. De varianten van Industrial Ethernet, die afwijken van de Ethernet-standaard en in principe merk gebonden zijn, zijn niet compatibel met elkaar of met omliggende netwerken. Industrial Ethernet blijft daarom in wezen beperkt tot het machine- en veldniveau.
Op Ethernet gebaseerde veldbussystemen maken de snelle overdracht van grote hoeveelheden gegevens mogelijk en daarmee is zeer rijke informatie zoals beeld- en trillingsgegevens te benutten. Bovendien maken ze het transport van veiligheidsgerelateerde gegevens op dezelfde lijnen mogelijk met behulp van “black channel-technologie”. Desalniettemin verhindert de verscheidenheid aan incompatibele protocollen het vrije gebruik van machines en apparaten in gemeenschappelijke netwerken en vormt het een grote hindernis op weg naar digitalisering van de productie.
Fabrikantonafhankelijke communicatie
De voortschrijdende miniaturisering in de micro-elektronica heeft een eind gemaakt aan de voorheen rigide indeling in besturingscomputers en “domme” randapparatuur. Omdat sensoren en actuatoren steeds vaker worden uitgerust met hun eigen processors, neemt het aantal zelfintelligente netwerkknooppunten op veldniveau snel toe. Een vereiste voor hun universele netwerkfunctie is een open en tegelijkertijd realtime geschikt communicatieprotocol.
Open Platform Communication Unified Architecture (OPC UA) op basis van IEC 62541 is een industrieel communicatieprotocol dat kan worden gebruikt om machinegegevens semantisch op een machineleesbare manier te beschrijven. Het is merkonafhankelijk en uitgerust met een hoge mate van ingebouwde beveiliging. Zo maakt het open communicatieprotocol OPC UA, in tegenstelling tot de incompatibele protocollen van Industrial Ethernet, een volledig continue en transparante communicatie van de sensor naar de cloud mogelijk. Door middel van een geïntegreerd verbeeldingsmechanisme kan OPC UA te communiceren met apparaten die op een later tijdstip in het netwerk worden gebracht zonder dat er bij de oorspronkelijke programmering rekening mee hoeft te worden gehouden. Echter heeft OPC UA ook geen deterministisch tijdgedrag waardoor het, net als standaard Ethernet, niet gemakkelijk geschikt voor de overdracht van realtime gegevens binnen gesynchroniseerde secties in een fabriek.
Met Pub/Sub en TSN naar het nieuwe Ethernet
Daarom introduceerde de OPC Foundation als eerste stap het snelle Publisher-Subscriber (Pub/Sub)-communicatiemodel. Het model werkt zonder te wachten op reacties van de ontvangers tussen individuele berichten. Zelfs het continu versturen van data met OPC UA Pub/Sub zorgt voor een flinke versnelling van de communicatie en een ontlasting van het netwerk.
Het Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) creëerde zo’n uniforme tijdbasis met de Ethernet-standaard Time Sensitive Networking (TSN). Deze uitbreiding van de Ethernet-standaard regelt het overdrachtsgedrag van datapakketten door tijdsynchronisatie via een uniforme tijdbasis, verkeersplanning en geautomatiseerde systeemconfiguratie. Alleen de combinatie van OPC UA PubSub met de communicatietechnologie TSN maakt de realisatie van real-time capabele toepassingen in de industriële omgeving mogelijk op basis van algemeen beschikbare standaarden. Het garandeert de deterministische overdracht van gegevens in grote convergente netwerken en kan de eerdere scheiding tussen machine- en IT-netwerken opheffen.
Hoge prestaties met beveiliging
In de loop van de herdefiniëring van Ethernet waren er ook aanzienlijke prestatieverbeteringen. De technologie maakt netwerken met meerdere 10.000 nodes mogelijk die tot 18 keer sneller kunnen communiceren dan met alle voorgaande protocollen en bovendien heel eenvoudig kunnen worden beheerd en geconfigureerd. Dit opent onder meer geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden voor hoogsynchrone aandrijftechniek, ook gekoppeld aan bijvoorbeeld digitale beeldverwerking.
Voor een veilige en betrouwbare uitwisseling van gegevens in het netwerk biedt OPC UA over TSN de mogelijkheid om gebruik te maken van digitale certificaten volgens de X.509-standaard. Op deze manier zorgt het voor een hoog beveiligingsniveau. In tegenstelling tot het industriële Ethernet uit het verleden, is OPC UA over TSN een volledig leveranciersonafhankelijk protocol met open-source software-implementaties. Deze worden onder meer beheerd en getest door het Open Source Automation Development Lab (OSADL). Dit maakt system integrators en gebruikers wat betreft communicatie onafhankelijk van individuele providers.
Nieuwe universele standaard voor datacommunicatie
Door toevoeging van de real-time capaciteit van TSN stelt het protocol IT en OT in staat om samen te smelten tot een gemeenschappelijk netwerk, dat de basis vormt voor alle toepassingen in het IIoT.
De fabrikanten van processor- of controllermodules rusten steeds meer producten standaard uit met TSN-mogelijkheden. Dit wordt mogelijk gemaakt door de integratie van TSN-functionaliteit in halfgeleiders van tal van fabrikanten. Dit vereenvoudigt de realisatie van convergente Ethernet-gebaseerde netwerken waarop ook tijdgesynchroniseerde, deterministische communicatie plaatsvindt, parallel aan het reguliere IT-dataverkeer.
Dit maakt het gemakkelijk om echte toepassingen van IIoT voor Industrie 4.0 te creëren op basis van universeel geldende Ethernet-protocolstandaarden. De extra kosten voor TSN-capaciteit zullen afnemen naarmate deze meer naar het chipniveau worden verschoven. Als gevolg hiervan wordt verwacht dat nieuw geïnstalleerde netwerken in de zeer nabije toekomst al realtime-mogelijkheden als standaard zullen hebben. Automatiserings-engineers, planners, operators en beheerders van interne netwerken, maar ook toonaangevende fabrikanten van automatiserings- en informatietechnologie, wenden zich daarom steeds meer tot Ethernet met TSN.
Toegangspoort naar Industrie 4.0
Het universele communicatieplatform is bezig zichzelf te vestigen als de universele wereldstandaard voor alle vormen van elektronische datacommunicatie, zelfs buiten industriële netwerken. Eindapparaten zonder TSN-mogelijkheid kunnen ook probleemloos via TSN-netwerken worden bediend. Vroeg of laat zullen Ethernet-switches worden uitgerust met TSN door het gebruik van geschikte chips in de standaard en zullen ze over het algemeen Ethernet realtime-mogelijkheden bieden. Dit zal een einde maken aan de momenteel nog steeds grote inspanning om compatibiliteitslimieten te overwinnen als een hindernis voor de integratie van tijdkritische fabriekscomponenten in het internet der dingen. Op basis hiervan is het misschien mogelijk om de ideeën van Industrie 4.0 te verwezenlijken.
Afbeelding: Adobe Stock
