3 Probleme, die gelöst werden müssen, bevor Anlagen von der 5G-TSN-Integration profitieren können
Die intelligente Fertigung ist in vollem Gange und kurz davor, eine kritische Masse zu erreichen. Jedoch stehen den Industrieanlagen noch einige Aufgaben bevor, um sich auf diesen Wandel vorzubereiten.
Laut Deloitte glauben 86 % der Hersteller, dass Smart-Manufacturing-Initiativen die Wettbewerbsfähigkeit der Branche in den nächsten fünf Jahren steigern werden. 83 % sind der Ansicht, dass diese Initiativen die Art und Weise, wie Produkte hergestellt werden, verändern werden.
Inzwischen haben jedoch nur 5 % der Hersteller eine vollständige intelligente Fertigungsanlage in Betrieb, und nur 30 % haben Smart-Factory-Initiativen in Angriff genommen.
5G-TSN-Integration: entscheidend auf dem Weg zur intelligenten Fertigung
In einem kürzlich veröffentlichten Blog haben wir das Potenzial von 5G erläutert, um die Echtzeitfähigkeiten von TSN (Time-Sensitive Networking) in Wireless-Netzwerke zu bringen und die industrielle Kommunikation zu unterstützen.
TSN führt Mechanismen für Quality of Service, Zuverlässigkeit und Konfiguration ein, die es verschiedenen Arten von Datenverkehr ermöglichen, dasselbe Netzwerk zu nutzen und gleichzeitig einen zuverlässigen Durchsatz innerhalb eines bestimmten Zeitraums zu gewährleisten.
Die Vereinheitlichung von 5G und TSN könnte neue Möglichkeiten für vollständig vernetzte und produktivere industrielle Umgebungen schaffen, die einen Einblick in den Anlagenbetrieb ermöglichen und Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen, damit Manager und Mitarbeiter intelligenter arbeiten und bessere Entscheidungen treffen können.
Obwohl 5G über die für die Arbeit mit TSN erforderlichen Fähigkeiten verfügt und die Standardisierungsorganisation 3GPP erhebliche Fortschritte bei der Integration von 5G-Systemen mit TSN gemacht hat, stehen der Umsetzung immer noch Hindernisse im Weg.
Die Branche muss drei große Herausforderungen bewältigen, bevor die industrielle Automatisierung von der 5G-TSN-Integration profitieren kann. Schauen wir uns das einmal genauer an.
1. Datenkommunikation über OSI-Schichten hinweg
Die industrielle Kommunikation erfolgt über Ethernet-Protokolle innerhalb von Layer 2 des OSI-Modells. Mittlerweile befindet sich die IP-basierte Kommunikation in Layer 3.
Für industrielle Netzwerke sind beide Arten der Adressierung gleichermaßen wichtig. In der Regel verwenden Industrieprotokolle die Layer-2-Adressierung für die Kommunikation zwischen SPS und Sensoren oder Aktoren. SCADA- und Überwachungsanwendungen verwenden Layer-3-Adressierung.
Um die Weiterleitung der Layer-2- und Layer-3-Kommunikation über ein 5G-Netzwerk zu ermöglichen, hat 3GPP zwei Arten von Protokolldateneinheiten (PDU) und Benutzerebenenfunktionen (UPF) entwickelt: Ethernet und IP. Vereinfacht ausgedrückt entscheidet das Benutzergerät anhand der Header im Paket, ob das 5G-System das Paket als Switch (für Ethernet) oder als Router (für IP) kommunizieren soll.
Die heutigen industriellen 5G-Kernsysteme unterstützen diese Differenzierung in der Kommunikation jedoch nicht. Sie unterstützen nur die IP-Kommunikation. Stellen Sie sich einen herkömmlichen Switch vor. Dieses Gerät „lernt“, wo sich die Layer-2-Adressen befinden. Wenn der Switch Datenpakete empfängt, weiß er, wo er sie ablegen muss. Das 5G-System verhält sich wie ein Router. Wenn er Layer-2-Kommunikation empfängt, wirft er die Informationen im Wesentlichen beiseite, anstatt sie so weiterzugeben, wie er sollte. Er weiß nicht, was er mit der Layer-2-Kommunikation anfangen soll. 5G kann derzeit keine schichtübergreifende Datenkommunikation unterstützen.
2. Fehlende Zeitsynchronisation
Um Arbeitsabläufe zu automatisieren, die Qualität sicherzustellen und Geräteausfälle zu verhindern, benötigen industrielle Netzwerke oder Netzwerksegmente eine Synchronisierung, um einen erfolgreichen Betrieb von Regelkreisen zu unterstützen. Ein Regelkreis ermöglicht es beispielsweise einer SPS, einen Wireless-Roboterarm zu steuern, oder mehreren Sensoren, ihre Daten an die Cloud zu melden, wobei die Zeitsynchronisation eine konsistente Abfolge von Ereignissen ermöglicht.
Zeitprotokolle, wie z. B. PTP (Precision Time Protocol), sind erforderlich, um einen Regelkreis oder eine Abfolge von Ereignissen zu verwalten. Weder IEEE 1588 (PTP) noch IEEE 802.1AS werden derzeit über 5G unterstützt.
Um 5G-Systeme in industrielle Automatisierungsanwendungen zu integrieren, bietet 3GPP die Möglichkeit zur Implementierung einer Zeitsynchronisation (z. B. durch SIB9-Nachrichten). Obwohl sie in den Standards definiert sind, haben sich diese Funktionen noch nicht in Produkten für industrielle Netzwerke durchgesetzt.
3. Servicequalität
In einem herkömmlichen Ethernet-LAN werden alle Daten, die von Geräten kommen, ähnlich behandelt. In Industrie- und Steuerungsnetzwerken wird QoS jedoch benötigt, um den Datenverkehr zu kontrollieren und zu verwalten, die ordnungsgemäße Leistung unternehmenskritischer Anwendungen sicherzustellen und Störungen wie Latenz, Paketverlust und Jitter zu minimieren. Diese Unterscheidung der Verkehrsarten garantiert die Bereitstellung und den Service der Daten.
Da die 3GPP-definierten Funktionen zur Ermöglichung von QoS in 5G-Kernsystemen für industrielle Netzwerke noch nicht verfügbar sind, wird der gesamte Datenverkehr, der von einem Endgerät ausgeht, mit der gleichen Priorität behandelt. Dieser Mangel an QoS während der 5G-Datenübertragung führt zu Leistungsproblemen, die zu Konsequenzen wie Anwendungszeitüberschreitungen führen können.
5G-TSN-Lösungen sind auf dem Vormarsch
Belden arbeitet an der Entwicklung einer Architektur, die Industrieumgebungen dabei unterstützt, die ersten Schritte in Richtung 5G-TSN-Integration zu unternehmen, damit sie zu gegebener Zeit die damit verbundenen Möglichkeiten kostengünstig nutzen können.
Unsere Lösungen werden Fertigungsanlagen dabei unterstützen, die Zukunft zu gestalten, indem sie 5G und TSN für eine nahtlose kabelgebundene und Wireless-Integration integrieren.
In zukünftigen Blogs werden wir mehr darüber berichten, wie diese Lösungen aussehen und wie sie Industrieumgebungen dabei helfen, sich auf die bevorstehende digitale Transformation vorzubereiten.
Passende Ressourcen:
Über den Autor
Lukas Bechtel ist seit 2012 Jahren bei Belden und war in unserem CTO-Büro zunächst als Testautomatisierungsingenieur und dann als Technologiearchitekt tätig. Er ist außerdem Fakultätsmitglied und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studenten über IT- und Netzwerksicherheit und industrielle Netzwerke unterrichtet und Bereiche wie Industrie 4.0, Wireless- und industrielle Kommunikation sowie Sicherheit studiert.