TSN ist im Data Link Layer, der Schicht 2 des OSI-Referenzmodells angesiedelt und erweitert hier die Netzwerkeigenschaften. Diese Erweiterungen werden durch die IEEE802.1-Ethernet-Substandards definiert und haben das Ziel Determinismus und Konvergenz verschiedenster Datenströme in einem Netzwerk zu erreichen. Zwei besonders wichtige TSN-Substandards im Hinblick auf diese Funktionalitäten sind IEEE802.1 AS und c. IEEE802.1 AS sorgt für Determinismus und ist die Grundvoraussetzung für die Synchronisierung aller Teilnehmerkomponenten in einem Netzwerk. Wenn im Netzwerk eine gemeinsame Referenzzeit gilt, definiert IEEE802.1 Qbv die sogenannten ‚Time Aware Shapers‘. Diese legen bestimmte Zeitfenster (Slots) fest, denen jeweils verschiedene Typen von Netzwerkdaten zugewiesen werden. Die Zuweisung erfolgt dann abhängig von Art und Priorität der zu transportierenden Informationen. Hierbei wird eine deterministische Kommunikation ermöglicht bei der kein Datenpaket verloren geht.
Deterministischer Datenverkehr
Daraus ergibt sich, dass neben den Daten zur Maschinensteuerung, wie I/O-Zustände, auch Safety- und Motion-Control-Daten über das gleiche Netzwerk synchron in Echtzeit transportiert werden. Des Weiteren können asynchrone, nicht zeitkritische Daten jeglicher Art, basierend auf TCP/IP oder UDP/IP jederzeit mit übertragen werden. So können verschiedene Arten von Daten vorhersehbar durch das Netzwerk geleitet und gesteuert werden. Es werden somit einfachere, schlankere, kostengünstigere und leichter zu wartende Netzwerkarchitekturen realisiert. Darüber hinaus bietet die Möglichkeit der Konvergenz die Bereiche OT und IT zusammenzuführen und schafft hier ein neues Maß an Transparenz in den Fertigungsprozessen. Ob die Implementierung von Konvergenz und Transparenz gelingt, hängt maßgeblich von der Leistungsfähigkeit der unterstützenden industriellen Netzwerke ab. Das Netzwerk muss große Datenmengen aus verschiedenen Quellen in verschiedene Bereiche des Unternehmens übertragen. Dieser Datenverkehr muss deterministisch, also zuverlässig und vorausberechenbar erfolgen, damit ein betrieblicher Performance- und Effizienzgewinn erreicht wird. Dieses bedeutet für Endanwender, Maschinenbauer und Automatisierungsanbieter ein neuer effizienter, kostensparender und holistischer, also ganzheitlicher, Lösungsansatz für die Umsetzung von innovativen Ideen zur Produktionsplanung von Fertigungsprozessen.
Datenkonvergenz beim Retrofit
Beim Retrofit können Endanwender ihre Anlagen mit TSN-basierter Netzwerktechnik aufrüsten und erweitern. Bei der Einbindung von existierenden Anlagen und deren Ethernet basierten Netzwerken werden auch die übergeordneten zugehörigen Systeme mitberücksichtigt. Dies ermöglicht die sogenannte Datenkonvergenz, also Zusammenlegung von IT und OT, und bedeutet Sicherung der bereits getätigten Investitionen, bei gleichzeitiger Mitnutzung von den neuesten Technologien in den Erweiterungen. Des Weiteren wird so die Anzahl der für ihren Betrieb nötigen Netzwerke reduziert, und somit auch Kosten, indem sie verschiedene Datenströme zusammenführen und dennoch Determinismus gewährleisten. Maschinenbauer können ihrerseits Kosteneinsparungen an ihre Kunden weitergeben, weil insgesamt weniger Hardware und Engineering-Aufwand für die Entwicklung, Konfiguration und Installation von Netzwerksystemen erforderlich sind. Es wird hier deutlich der Engineering-Aufwand für die Datenanbindung reduziert. Beispielsweise kann eine direkte Adressierung vom Edge-PC oder aus der IT-Ebene von einem lokalen Scada-System oder einer Cloud-Applikation auf ein Endgeräte in die OT-Ebene erfolgen, ohne, wie üblich, in der SPS-Steuerung ein Mapping mit vordefinierten Daten vorzubereiten oder ständig zu aktualisieren, natürlich unter Berücksichtigung der IT-Security-Belange. Dies beschleunigt insgesamt die Umsetzung von Projekten und vereinfacht Optimierungen bei späteren Funktionserweiterungen.
Prozessanalyse durch KI
Die durch TSN unterstützte Konvergenz erleichtert den Datenaustausch zwischen den Unternehmensebenen und gestaltet die Prozesse für die Endanwender transparenter. Letzten Endes bedeutet Transparenz, mehr Daten aus industriellen Prozessen zeitkritisch zu transportieren, extrahieren und analysieren zu können, um so zu aussagekräftigen Informationen zu gelangen, die zu einem besseren Verständnis der Betriebsabläufe der Fertigung beitragen. Diese Erkenntnisse können dann zur Verbesserung von Performance, Produktivität, Effizienz und Endproduktqualität genutzt werden. TSN unterstützt den Aufbau von Netzwerken, die verschiedenste Arten von Datenverkehr übertragen, die natürlich auch zur Analyse von Fehlern und Lokalisierung potenzielle Probleme eignen. Eingehende Daten und Fehlermeldungen sind im TSN-Netzwerk mit Echtzeit-Zeitstempeln versehen und können beispielsweise über den Einsatz von KI auf bestimmte Muster in der Cloud oder auch lokal im Edge-PC analysiert werden. So können Ursachen und Symptome klar differenziert und die geeigneten Maßnahmen an der Ursache ergriffen oder gegengesteuert werden. Ein weiteres Beispiel ist die vorausschauende Wartung mit Schwingungsanalyse, also Predictive Maintenance, mit der bestimmte Schwingungsmuster erkannt und einem Fehlertypus zugeordnet werden können. Dies ermöglicht Endanwendern ein sofortiges Gegensteuern zur Vermeidung von Schäden oder gezielte vorausschauende Planung und Durchführung von Wartungs- oder Reparaturarbeiten ihrer Anlagen. So werden Ausfallzeiten reduziert und die Gesamtverfügbarkeit erhöht und das gesamte Fertigungssystem wird in sich produktiver.