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Die unglaublichen Fortschritte im Bereich der maschinellen Intelligenz und der Robotik in den letzten Jahren haben den Fortschritt in der Automatisierung vorangetrieben, insbesondere in der industriellen Automatisierung und in der Automobilsteuerung.

 

Entdecken Sie, wie sich Automatisierungsnetzwerke verändern

TSN (Time Sensitive Netwoorking) bietet viele Vorteile für moderne industrielle Automatisierungsnetzwerke, da es eine hohe Bandbreite und eine zuverlässige, verlässliche Echtzeitkommunikation ermöglicht.

 

Warum TSN?

TSN kann für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden, nicht nur wegen der technologischen Vorteile, sondern auch wegen der niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO). Der Austausch vorhandener Switches durch TSN-Switches kann zusätzliche Kosten verursachen, die jedoch in der Regel geringer sind als die Kosten für die Duplizierung von Netzwerken und die Wartung der zusätzlichen Netzwerke.

In Automatisierungsnetzen ermöglicht TSN die Konvergenz zahlreicher kleiner, nicht verbundener Netzwerke zu einer einheitlichen Netzwerkstruktur. Dieses neue Netzwerk kann den Anforderungen der Echtzeitkommunikation in größerem Umfang gerecht werden und bietet gleichzeitig mehr Übertragungsbandbreite für Hintergrunddaten. Schauen Sie sich einige Anwendungsfälle an, die die Vorteile der Netzwerkkonvergenz in verschiedenen Branchen zeigen.

 

Entdecken Sie unser TSN-fähiges Portfolio

Belden ist bestrebt, die TSN-Technologie weiterzuentwickeln und Industrial Ethernet Switches mit höchstmöglichen Qualitätsstandards zu liefern. Entdecken Sie unser ständig wachsendes Portfolio an TSN-fähigen Geräten und Software-Lösungen, die eine zuverlässige, herstellerunabhängige Kommunikation gewährleisten.

  • Hutschienen-Switches
  • IP67-Switches
  • Software

Hirschmann Managed Fast/Gigabit Ethernet Switches – RSPE Expandable

Hirschmann RSPE Familie

  • Zukunftssicheres Design und bestmöglicher Investitionsschutz  dank maximaler Flexibilität durch die Medienmodule
  • Maximale Produktivität für Anlagen und Maschinen  dank völlig unterbrechungsfreier Datenkommunikation
  • Zukunftssichere Interoperabilität: integrierte PRP- und HSR-Protokolle auf der Grundlage der internationalen Norm IEC62439
  • Kosteneffiziente Lösung: einfach hinzuzufügende Medienmodule und PoE/PoE+-Ports für eine kosteneffiziente Stromversorgung von Endgeräten

 

 

 

 

Hirschmann Next-Generation Compact Fast/Gigabit Ethernet Switches – BOBCAT

Hirschmann BOBCAT Familie

  • Erweiterte Sicherheit – einschließlich Wire-Speed-Zugriffslisten und automatischer Denial-of-Service-Prävention
  • Präzise Datenübertragung – gleichzeitige Unterstützung mehrerer Dienste im Netzwerk durch TSN-Technologie
  • Vorbereitung auf künftiges Wachstum: höhere Bandbreite und Geschwindigkeit
  • Erhöhte Betriebszeit – breite Unterstützung von Redundanzmechanismen wie MRP, HSR und PRP
  • Konfigurieren Sie die perfekte Lösung: Switches unterstützen 4 bis 28 Ports mit Layer-2- und Layer-3-Fähigkeiten

 

Hirschmann Managed Fast/Gigabit Ethernet IP67 Switches und Router – OCTOPUS

Hirschmann OCTOPUS Familie

  • Robustes, kompaktes Gehäuse – gewährleistet höchste industrielle Schutzklassen (IP67/IP65) hinsichtlich mechanischer Belastung, Feuchtigkeit, Schmutz, Staub, Schock, Vibrationen, Hitze und Kälte
  • Erweiterter Funktionsumfang – Switches mit 8 bis 28 Ports, Fast Ethernet- und Gigabit Ethernet-Modelle, mit vibrationsfesten Anschlüssen für Twisted-Pair-Kabel oder Glasfaserports
  • Kostenreduzierung bei der Verkabelung – Switches können beliebig oft kaskadiert werden – dadurch können dezentrale Netzwerke mit kurzen Wegen zu den jeweiligen Geräten realisiert werden
  • Optimale Normenkonformität – sorgt für maximale Langlebigkeit, d. h. die Systeme können bei Bedarf kostengünstig erweitert werden

Hirschmann Operating System – HiOS

Hirschmann HiOS Switch Software

  • Sicherheit – umfassende Funktionalität zum Aufbau einer sicheren Netzwerkbasis
  • Redundanz – mehrere Technologien zur Anpassung an industrielle Netzwerktopologien, einschließlich MRP, MSTP, PRP, HSR, DLR und VRRP
  • Zukunftssicher – regelmäßige Software-Updates sowie ein markenunabhängiger, integrierter OPC-UA-Server für die Kommunikation zwischen allen Ebenen der Automatisierung
  • Echtzeitkommunikation – kostenlose, eingebettete und leicht konfigurierbare TSN-Funktionalität, für die keine spezielle Hardware, Software oder Kenntnisse erforderlich sind
  • IT/OT-Konvergenz – Büro- und Industriemanagementprotokolle zur Erleichterung der Integration von IT- und OT-Netzen

 

 

 

Hirschmann Industrial HiVision Netzwerkmanagement-Software

Hirschmann Industrial HiVision

  • Handlungsfähig – sofortiger Einblick in die wichtigsten Leistungsindikatoren mit dem Network Dashboard, das rechtzeitige Abhilfemaßnahmen zur Verbesserung der Verfügbarkeit und Sicherheit ermöglicht
  • Zeitersparnis – einfaches Identifizieren, Abbilden und Konfigurieren der gesamten Netzwerkinfrastruktur mit MultiConfig, einschließlich SNMP-fähiger Geräte beliebiger Hersteller, sogar im laufenden Betrieb
  • Leistungsgarantie – laden Sie eine kostenlose Version der Software herunter, die Sie unbegrenzt nutzen können, um schon vor dem Kauf von den Vorteilen zu profitieren

 

 

 

Der Wandel der industriellen Automatisierung

Die Märkte für industrielle Automatisierung werden durch den Übergang von Industry 3.0 zu Industry 4.0 oder der intelligenten Fabrik, einem Teil des industriellen Internets der Dinge (IIoT), angetrieben. Dieser Übergang wird gemeinhin als Wechsel von der Automatisierungspyramide zur Automatisierungssäule dargestellt.

 

Das Pyramidenmodell, dem die Industrie seit mehreren Jahrzehnten folgt, trennt die funktionalen Schichten von der Fabrikhalle (der Feldebene) bis zu den Managementsystemen an der Spitze streng voneinander. Die Datenkommunikation in Echtzeit erfolgt in der Regel auf der Feldebene, wo sich Sensoren und Aktoren befinden, sowie zwischen der Feld- und der Steuerungsebene.

 

Die Automatisierungssäule in einer IIoT (Industrie 4.0)-Produktionsumgebung hat immer noch eine Feldebene in der Fabrikhalle, aber die Gesamtzahl der Sensoren auf der Feldebene ist drastisch höher, um eine viel genauere Analyse und Kontrolle der Fertigungsfunktionen zu ermöglichen.

 

In der Automatisierungssäule wird die Steuerungsebene überflüssig. Ein Teil der Steuerungsfunktionen wandert in die Feldebene als dezentrale Steuereinheiten, die für extrem schnelle und zuverlässige Reaktionen, z. B. bei Sicherheitsfunktionen, eingesetzt werden. Andere Steuereinheiten ziehen als zentrale Steuereinheiten („virtuelle SPS“) in die Managementebene (Factory Backbone) ein.

Virtuelle Steuerungsfunktionen oder virtuelle speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), die in der lokalen Automatisierungs-Cloud gehostet werden, interagieren über die Konnektivitätsschicht direkt mit dem Produktionsprozess. Die Virtualisierung der SPS bietet ein Höchstmaß an Flexibilität; sie können hinzugefügt und entfernt werden, und die Rechenleistung kann dort zugewiesen werden, wo sie am meisten benötigt wird. Die Anwendungen im Backbone der Fabrik müssen sich nicht einmal in der Nähe der Anwendungen auf der Feldebene befinden. Sie können sich an einem beliebigen Standort befinden: in der IT-Abteilung oder auch in einem weit vom Werk entfernten Rechenzentrum, je nachdem, welche maximale End-to-End-Latenz (Verzögerung) die Anwendungen zulassen. Diese Flexibilität in den Kontrollprozessen bedeutet auch Flexibilität im Produktionsprozess.

 

Zwischen der Feldebene und dem Backbone der Fabrik befindet sich eine Konnektivitätsebene. Sowohl auf der Feldebene als auch auf der Verbindungsebene sind Hochgeschwindigkeitsnetze mit geringer Latenzzeit erforderlich. Darüber hinaus führt die Verbindungsschicht den Hintergrundverkehr mit niedrigerer Priorität so, dass der zeitkritische Verkehr nicht verlangsamt wird. Hier kommt TSN ins Spiel.

 

 

Automatisierungssäule 2021

 

ABBILDUNG: Der Übergang von der Automatisierungspyramide zur Automatisierungssäule.

 

Erkennen der Notwendigkeit von TSN in der IIoT-Umgebung

Die Konnektivitätsebene in der Automatisierungssäule kann als Informations-Superhighway zwischen dem Fabrik-Backbone und der Feldebene betrachtet werden. Der Verkehr besteht aus unternehmenskritischen und weniger dringenden Daten. Die Konnektivitätsebene muss den gesamten Datenverkehr an seinen Bestimmungsort leiten, aber unternehmenskritische Daten haben höchste Priorität und müssen ihr Ziel rechtzeitig erreichen. Beim Aufbau eines Netzwerks, das sowohl dringenden als auch nicht dringenden Verkehr befördern soll, haben Sie vier Möglichkeiten:

  • Die Nutzung von TSN ermöglicht, dass dringende und weniger dringende Daten die Netzverbindung gemeinsam nutzen können. Darüber hinaus wird verhindert, dass weniger dringender Traffic den Fluss des kritischen Datenverkehrs behindert.
  • Aufbau separater Netzwerke für die verschiedenen Anwendungen – eine sehr kostspielige Option.
  • Die Überdimensionierung der Netzwerkinfrastruktur ist eine weit verbreitete, aber extrem teure Methode. Sie wird auch als Bandbreiten-Überprovisionierung bezeichnet.
  • Verzögerungen beim unternehmenskritischen Datenverkehr in Kauf nehmen, was in der Regel keine praktikable Option ist.

Von diesen vier Möglichkeiten ist die erste Option – die Nutzung von TSN – die beste Wahl.

 

TSN – eine neue Evolution in der unternehmenskritischen Netzwerktechnik

In hochautomatisierten Systemen ist die Kommunikation in Echtzeit von grundlegender Bedeutung und oft unerlässlich. Stellen Sie sich ein selbstfahrendes Auto vor, das zögert, für einen Fußgänger auf der Straße zu bremsen, oder Roboter an einem Fließband, die Anweisungen nur mit Verzögerung von dem Computer erhalten, der ihre Bewegungen synchronisiert.

 

Verschiedene Echtzeit-Kommunikationstechnologien, darunter EtherCAT, PROFINET IRT und Sercos III werden zur Gewährleistung von zeitnaher Kommunikation eingesetzt. Sie weisen jedoch Kompatibilitätsprobleme auf und bieten, wenn überhaupt, nur begrenzte Unterstützung für zukünftige Erweiterungen, wie z. B. eine höhere Bandbreite.

 

Die zeitsensitive Vernetzung überwindet diese Einschränkungen und bietet die folgenden drei wesentlichen Vorteile:

  • Zuverlässige Kommunikation in Echtzeit
  • Hohe Bandbreite zur Bewältigung der großen Menge an Sensor- und Hintergrunddaten, die über Automatisierungsnetzwerke fließen
  • Abwärtskompatibilität zu Ethernet-Geräten

TSN – Zukunftssichere Ethernet-Netzwerke

TSN bringt IEEE* 802 Ethernet auf die nächste Stufe, um die Anforderungen heutiger und zukünftiger Automatisierungsnetzwerke zu erfüllen. TSN bietet eine beispiellos niedrige End-to-End-Latenz sowie eine Übertragungspräzision mit sehr geringem Jitter, die alles übertrifft, was mit standardisierter IEEE 802.1-Technologie jemals möglich war. Die Standardisierung in IEEE 802.1 und IEEE 802.3 gewährleistet die Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern, einen breiten Marktumfang, Skalierbarkeit bei künftigen Geschwindigkeitssteigerungen im Ethernet und Investitionssicherheit.

* Institute of Electrical and Electronics Engineers

Seit der Gründung der Field Level Communications (FLC) Initiative in der OPC Foundation im November 2018 ist klar: Die Technologiekombination aus OPC UA und IEEE TSN als herstellerneutrale Kommunikationstechnologie findet nicht nur in der Theorie, sondern auch in der technischen Umsetzung breite Unterstützung. Belden hat diese Entwicklung von Anfang an unterstützt.

  • Belden ist ein Pionier im Bereich TSN Industrial Ethernet und definiert die Grenzen dieser Technologie ständig neu.
  • Belden zeichnet sich durch Zeitsynchronisation aus. Hirschmann-Switches werden in den anspruchsvollsten Anwendungen eingesetzt, die ein präzises Timing erfordern.
  • Die Netzwerkmanagement-Softwarelösungen von Belden ermöglichen die Kombination und den Betrieb moderner LLOT-Netzwerke.

 

Wo TSN ins Spiel passt

Fertigungsautomatisierung

In der Fertigungsautomatisierung ermöglicht die Netzkonvergenz eine verteilte Echtzeitsteuerung; große Maschinen und zahlreiche Roboter können präziser und flexibler als bisher miteinander interagieren. Unternehmen können Anwendungen, wie z. B. die vorausschauende Wartung, ermöglichen, die die Analyse großer Mengen von Sensordaten erfordern. Ein konvergentes Netzwerk von der Cloud bis zum Sensor ermöglicht auch einen sicheren Fernzugriff über das Internet auf die Produktionsmaschinen, um Wartungsarbeiten und andere Aufgaben aus der Ferne durchzuführen.
Der Roboterarm in der Automobilproduktion arbeitet

Fahrzeuginterne Netzwerke

Moderne Automobile sind mit einer stark zunehmenden Anzahl von elektronischen Steuergeräten an Bord ausgestattet, um neue Funktionen wie das autonome Fahren zu ermöglichen. Die zunehmende Funktionalität hat zu einer noch größeren Nachfrage nach physischer Verbindungstechnik und Kommunikationsbandbreite geführt.

Bussysteme in der Automobilbranche, darunter FlexRay, Controller Area Network (CAN) und Media Oriented Systems Transport (MOST) können mit dieser Nachfrage nicht Schritt halten. Sie sind alle auf eine spezielle physische Verkabelung angewiesen, was die Komplexität und das Gewicht erhöht. Das zusätzliche Gewicht verringert den Kraftstoffverbrauch und die Leistung.

Der wichtigste Anwendungsfall für bordeigene Pkw- und Lkw-Netze ist die Konvergenz und der Ersatz der vielen verschiedenen bordeigenen Kommunikationsbusse durch deterministisches Ethernet. Der Grund dafür ist das Gewicht und die Komplexität des Kabelbaums in einem modernen Automobil.

TSN ermöglicht die Konvergenz und den Ersatz einer Vielzahl verschiedener bordeigener Kommunikationsbusse, um eine einheitliche Konnektivitätsschicht zu bilden.

Ethernet hat viele dieser Bussysteme noch nicht ersetzt, vor allem weil die Ethernet-Verkabelung die Anforderungen an die elektromagnetische Störfestigkeit für den Einsatz in Fahrzeugen nicht erfüllte. Dies hat sich jedoch geändert: Die Arbeitsgruppe IEEE 802.3 hat mehrere Physical-Layer-Chips (PHYs) spezifiziert, die diese Anforderungen erfüllen können. Die Einführung von PHYs hat den Fahrzeugmarkt für Ethernet und TSN geöffnet.

TSN ist mit seiner Fähigkeit, Traffic unterschiedlicher Prioritäten rückkopplungsfrei auf einem einzigen Kabel zusammenzuführen, ideal als Backbone-Kommunikationstechnologie in Fahrzeugen geeignet.

Die Automobilhersteller können TSN je nach ihrer Architektur auf unterschiedliche Weise nutzen. Bei einigen Herstellern verbindet TSN nur die verschiedenen Anwendungsbereiche im Fahrzeug, wie z. B. Antriebsstrang, Karosseriesteuerung und Fahrgastunterhaltung, wobei die Verbindung zu jedem Bereich über ein Gateway erfolgt. Innerhalb jeder Domäne werden unterschiedliche Technologien wie MOST oder FlexRay eingesetzt.

In anderen Fällen wird TSN auch innerhalb der einzelnen Anwendungsbereiche eingesetzt und ersetzt das bordeigene Busnetzwerk vollständig. Einige Hersteller geben bereits an, dass TSN letztendlich alle Bussysteme im Fahrzeug ersetzen wird, mit Ausnahme des Diagnose-CAN.

Energieautomatisierung

In der Energieautomatisierung, z. B. in Umspannwerken, kann TSN eingesetzt werden, um zeitkritische Daten, wie z. B. Abtastwerte von Spannung und Strom, durch das Netz zu den elektrischen Schutzeinrichtungen zu leiten. TSN kann auch zur Verbesserung der Leistung wichtiger Ereignisbenachrichtigungen, Generic Object-Oriented Substation Events (GOOSE), eingesetzt werden, wenn das GOOSE-Protokoll dieselbe Netzinfrastruktur verwendet, die z. B. für Sensordaten oder Netzüberwachung genutzt wird.

Anwendungen im Verkehrswesen

Im Verkehrswesen – z. B. in Zugnetzen – können sich Komfortanwendungen wie Fahrgastunterhaltung ein Netz mit anderen Anwendungen wie Fahrgastinformation oder Kontrollfunktionen teilen, die nicht sicherheitsrelevant sind. Die Sicherheitsfunktionen können wiederum mit anderen Steuerungsfunktionen in speziellen Steuerungsnetzwerken kombiniert werden.

Downloads und Einblicke in Branchentrends durchsuchen

TSN-Ressourcen

Geschäftszeiten Konzept Menschen gehen Overlay mit Stechuhr

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Erfahren Sie, wie TSN Ihnen dabei helfen kann, flexiblere, intelligentere und dynamischere Produktionsanlagen zu realisieren

 

Wofür steht TSN?

TSN (Time Sensitive Networking) ist eine Sammlung von Standards, die deterministische Nachrichtenübermittlung über Standard-Ethernet-Netzwerke ermöglicht. Nach der Definition des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhaltet TSN eine Form des Netzwerkverkehrsmanagements, um nicht verhandelbare Zeitrahmen für End-to-End-Übertragungslatenzen zu gewährleisten.

 

Was ist der Unterschied zwischen Latenz und Jitter?

Latenz ist die Zeit, die Daten benötigen, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen

Jitter ist jede Art von Schwankung der Latenzzeit

Nehmen wir zum Beispiel an, Sie müssen zu einer bestimmten Zeit zu einem Termin erscheinen. Sie gehen online, legen die Route fest und finden heraus, dass Sie 30 Minuten für die Fahrt dorthin benötigen. Wenn Sie den Zielort in die GPS-App Ihres Smartphones eingeben, erhalten Sie die gleiche Schätzung: 30 Minuten. Sie sind schon einmal dorthin gefahren und haben immer 30 Minuten gebraucht. Das ist Latenz.

Dreißig Minuten vor Ihrem Termin fahren mit Ihrem Auto los zu Ihrem Termin. Zehn Minuten später stehen Sie im Stau. Sie haben keine Ahnung, wie lange die Verzögerung sein wird. Das ist Jitter.

 

Was ist OPC?

OPC ist der Interoperabilitätsstandard für den sicheren und zuverlässigen Datenaustausch im Bereich der industriellen Automatisierung und in anderen Branchen. Sie ist plattformunabhängig und gewährleistet den nahtlosen Informationsfluss zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Die OPC Foundation ist für die Entwicklung und Pflege dieses Standards verantwortlich.

 

Die OPC-Norm besteht aus einer Reihe von Spezifikationen, die von Industrieanbietern, Endnutzern und Softwareentwicklern entwickelt wurden. Diese Spezifikationen definieren die Schnittstelle zwischen Clients und Servern sowie Servern und Servern, einschließlich des Zugangs zu Echtzeitdaten, der Überwachung von Alarmen und Ereignissen, des Zugangs zu historischen Daten und anderen Anwendungen.

 

Was ist der Unterschied zwischen OPC und OPC UA?

Die 2008 veröffentlichte OPC Unified Architecture (UA) ist eine plattformunabhängige, dienstorientierte Architektur, die alle Funktionen der einzelnen OPC Classic Spezifikationen in einem erweiterbaren Rahmenwerk integriert.

 

Mit diesem mehrschichtigen Ansatz werden die ursprünglichen Ziele der Entwurfsspezifikation erreicht:

  • Funktionale Äquivalenz: alle COM OPC Classic Spezifikationen werden auf UA abgebildet
  • Plattformunabhängigkeit: von einem eingebetteten Mikrocontroller bis hin zu einer Cloud-basierten Infrastruktur
  • Sicher: Verschlüsselung, Authentifizierung und Auditing
  • Erweiterbar: Fähigkeit, neue Funktionen hinzuzufügen, ohne bestehende Anwendungen zu beeinträchtigen
  • Umfassende Informationsmodellierung: zur Definition komplexer Informationen

 

Was sind die Hauptvorteile der Umstellung auf OPC UA gegenüber TSN?

Durch den kombinierten Einsatz offener und standardisierter Technologien wie OPC UA und TSN kann der industrielle Automatisierungsmarkt die Gefahr vermeiden, dass Feldbusanbieter einfach neue Schichten proprietärer Technologie auf TSN aufsetzen. OPC UA over TSN erfüllt alle strengen Anforderungen von industriellen Anwendungen und bietet gleichzeitig die Flexibilität und Interoperabilität, die man von der Unternehmens-IT kennt:

 

  • Vollständig offene, standardisierte und interoperable Kommunikation
  • Präzise Zeitplanung und garantierte Zustellung für kritische Nachrichten
  • Zusammenführung von kritischem und nichtkritischem Verkehr in einem für den Benutzer transparenten Netz
  • Automatisierte und dynamische Netzwerkkonfiguration auf der Grundlage von Anwendungsanforderungen
  • Ubiquitär, Verbindung von Sensoren zur Cloud ohne Gateways
  • Abwärts- und Aufwärtskompatibilität, Integration vorhandener Ethernet-Geräte