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Communication Network Engineering am InES

Die durch ein verteiltes System erbrachte Gesamtfunktion erfordert oft deterministische, schnelle und zuverlässige Kommunikation zwischen verteilten Geräten sowie eine präzise zeitliche Koordination der vernetzten Knoten. Die Forschung des InES beinhaltet die Entwicklung, Optimierung und Verifikation von international standardisierten Protokollen sowie von applikations- und kundenspezifischen Systemen.

Communication Network Engineering

Die Forschungsgruppe Communication Network Engineering befasst sich mit Kommunikationslösungen für industrielle und professionelle Anwendungen. Typische Anforderungen an solche Kommunikationssysteme sind:

  • Kontrolle über Latenzen und Verzögerungen
  • Skalierbarkeit
  • Präzise Zeitverteilung im Netzwerk, sowohl für Anwendungen als auch für die Steuerung des Datenverkehrs selbst
  • Hohe Verfügbarkeit oder Redundanz im Netzwerk
  • IP-Konnektivität bis zum Endknoten

Keine dieser Anforderungen ist neu, und es gibt eine Vielzahl proprietärer und standardisierter Ansätze und Verfahren, um sie zu erfüllen. Allerdings haben diese Verfahren häufig die eine oder andere Schwachstelle oder werden stark durch Interessengruppen getrieben. CAN, Profibus oder EtherCAT erfüllen viele dieser Anforderung, haben aber Limitierungen bei Bandbreite, Kompatibilität oder IP-Konnektivität. Zur Umsetzung von Industrie 4.0 mit den Zielen einer Smart Factory und «Plug & Produce» ist es wichtig, herstellerübergreifende, offene Standards einzusetzen.

Time Sensitive Networking

Mit grossem Aufwand wird im IEEE unter dem Namen «Time Sensitive Networking (TSN)» an einem Portfolio hersteller- und anwendungsübergreifender Standards gearbeitet. Videostreams von Webcams, kritischer zyklischer Echtzeitverkehr für Regelkreise und grossen Datenmengen für Backup oder Logging können gleichzeitig über ein gemeinsames Netzwerk übertragen werden. Dabei werden kritischen Parameter wie garantierte Latenz oder Bandbreite nicht gegenseitig beeinflusst. TSN garantiert die geforderten Übertragungseigenschaften, was als QoS (Quality of Service) bezeichnet wird.

Die Erwartungen an TSN sind hoch, und die Komplexität beim Einsatz darf nicht unterschätzt werden. In der Industrie und Automatisierungstechnik ist vor allem der kommende Standard IEC/IEEE 60802, an dem viele führenden Hersteller mitarbeiten, interessant. Dieser hat das erklärte Ziel, auf Netzwerkebene Kompatibilität herzustellen. Das ermöglicht die Kommunikation von Applikationsdaten gemäss ProfiNet, EtherCat oder Ethernet/IP über eine gemeinsame Infrastruktur.

Langfristig wird im FLC Projekt angestrebt, OPC UA direkt über TSN bis in die Feldebene zu ziehen. So wird dann eine durchgängige, IP basierte Kommunikation möglich. Getrennte Netze für Echtzeit- und Best Effort Verkehr wir File Transfer, SW Download oder Bild- und Audioübertragung werden überflüssig und die Verschmelzung von IT und OT Realität. Die Automatisierungspyramide beginnt, sich aufzulösen.

Erste Pilotanlagen gehen derzeit (2020/21) in Betrieb, aktuell gibt es noch kein breites Angebot an TSN-fähigen Geräten.

One Size fits all?

Für den Anwender stellt sich die Frage, ob - und wenn ja welche - Elemente aus dem TSN Portfolio für die konkrete Aufgabenstellung gewinnbringend eingesetzt werden sollen. Denn auch mit herkömmlichen Mechanismen, manchmal bereits mit einer Erhöhung der Bandbreite auf 1 Gbit/s, oder einem ausgewählten Teil der TSN Verfahren lässt sich die Leistungsfähigkeit eines Netzes verbessern. Es gilt: Alles hat seinen Preis, und es ist nicht immer sinnvoll, alle verfügbaren Mittel einzusetzen. Manchmal aber eben doch.

Grundlage hierzu ist die Analyse der Anforderungen und eine Kenntnis der angestrebten Technologie. Für manche Einsatzgebiete sind auch Consumer-Technologien eine valable Alternative.

Das InES verfügt über langjährige Erfahrung im Bereich Echtzeitnetzwerke und hat die Standardisierung in IEEE und IEC insbesondere in den Bereichen Redundanzverfahren und hochgenaue Zeitsynchronisation aktiv unterstützt. Für die Zeitsynchronisation nach IEEE 1588 (PTP) und IEEE 802.1AS (gPTP) verfügen wir über eigene Implementierungen, die wir zur Umsetzung in Projekten einsetzen, die aber auch lizensiert werden können.

Projekte und Technologien

Zeitsynchronisation mit PTP und gPTP

Das Precision Time Protocol (PTP, IEEE1588) und das generalized Precision Time Protocol (gPTP, IEEE 8201.AS) sind zwei verwandte Protokolle zur hochgenauen Zeitsynchronisation über verschiedene Übertragungsmedien. Das InES ist seit Beginn der Standardisierung im IEEE aktiv involviert. Mit der heute oft standardmässig in Netzwerk-Chips integrierten Zeitstempelung sind Genauigkeiten unter einer Mikrosekunde und in Spezialimplementierungen bis in den Nanosekundenbereich möglich.

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Consumer-Technologie für industrielle Anwendungen

Das InES hat untersucht, wie sich ein Powerline System für IP-Kommunikation in industriellen Anwendungen wie Aufzugssteuerungen nutzen lässt. Detaillierte Untersuchungen zu Latenz und Jitter sowie eine passende Systemarchitektur sind der Schlüssel für einen Einsatz der Technologie.

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Single Pair Ethernet

Single Pair Ethernet gibt es inzwischen für Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 5 Gbit/s, mit unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich maximaler Segmentgrösse und Topologie. Aufgrund der reduzierten Verkabelungskosten sind diese Lösungen für viele Anwendungen interessant, beispielsweise im Automotive Bereich oder der Prozessautomatisierung. Das InES untersuchte, wie sich Latenzen im 10 Mbit/s Ethernet mit Frame Preemption (IEEE 802.3br) reduzieren lassen.

Redundanzprotokolle PRP und HSR

Das InES war aktiv bei der Entwicklung von stossfreien Redundanzverfahren für Netzwerke beteiligt. Die Arbeit floss in die IEC Standardisierung ein und ist heute als IEC 62439-3 normiert und wird beispielsweise in der Kraftwerks- und Energiebranche eingesetzt.

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