10/11/2016
Door Bart Driessen
“Ethernet wordt nu overal geaccepteerd als dé communicatietechnologie. Het is een onmisbaar onderdeel van de industriële automatisering. Maar een belangrijk onderdeel ontbrak tot voor kort: een merkonafhankelijke oplossing voor applicaties met synchroon, realtime dataverkeer. Protocollen voor realtime ethernet zijn in de overgrote meerderheid gebonden aan bepaalde producten en merken – ModBus Profinet IRT, Sercos, EtherNet/IP.”
Aldus Oliver Kleineberg, manager ‘Advance Development’ bij Hirschmann, tijdens het jaarlijkse Industrial Ethernet Infrastructure Design Seminar event van Belden, half juni in München. “Met onze bijdragen aan de IEEE 802.1 TSN-taskforce (Time Sensitive Networking, red.) hebben we grote stappen voorwaarts gezet. Met name doordat we nu uniformiteit hebben bereikt wat betreft definities en prioriteiten voor determinisme in realtime communicatie. Deze overeenstemming is heel belangrijk voor de succesvolle toepassing van huidige en toekomstige besturingsnetwerken. En het mooie is dat deze afspraken nu al op de technologie kunnen worden toegepast.”
Actieve werkgroepen
IEEE-standaards (Institute of Electrical and Electronics Engineers) komen tot stand door samenwerking tussen verschillende engineers, meestal afkomstig uit de industrie en de wetenschap. Onder andere engineers van Hirschmann, dat onderdeel uitmaakt van Belden, werkten mee aan de verdere doorontwikkeling van IEEE 802.1-standaards voor TSN. Vanwege de complexiteit van het onderwerp zijn binnen de IEEE 802.1-gemeenschap momenteel verschillende werkgroepen actief, die elk een deel van de netwerktechnologie voor hun rekening nemen. En misschien zal menige techneut het ontwikkelen van standaards voor netwerktechnologie droge kost vinden, het is onmisbaar dat dit gebeurt, wil industrieel ethernet versneld vooruitgang boeken.
Time-Sensitive Networking
Bij de ontwikkeling van normen voor Time-Sensitive Networking gaat het er om dat verschillende soorten dataverkeer gelijktijdig kunnen plaatsvinden. Anders gezegd, besturingsdata waarvan de overdrachtstijd kritisch is, moet tegelijkertijd via hetzelfde ethernetnetwerk worden verwerkt als de minder dringende, reguliere data. De normen die hiervoor worden ontwikkeld moeten garant staan voor de vereiste timing in applicaties waarvan het tijdaspect of het belang van de uitvoering zelf, cruciaal is. De benodigde normering moet ook zorgen voor ‘interoperability’. Anders gezegd: producten moeten ongeacht merk of herkomst moeiteloos op elkaar kunnen worden aangesloten en met elkaar werken. Tegelijkertijd moeten nieuwe normen ook voldoende ruimte blijven bieden voor nieuwe ontwikkelingen. Fabrikanten moeten namelijk de vrijheid hebben om nieuwe technologie te ontwikkelen.
Jonge technologie
De recente geschiedenis van de industriële communicatie kent twee hoogtepunten: de ontwikkeling van veldbussen en het gebruik van industrieel ethernet. Het lijkt nu allemaal vanzelfsprekend, maar een korte blik op de geschiedenis leert dat het in feite nog steeds een jonge technologie is. Ethernet dateert van 1973 en kwam voort uit een project van Xerox. In de beginjaren was het vooral een manier om in LAN’s te communiceren in kantooromgevingen. Er waren aanvankelijk ook wel industriële applicaties, maar vanwege de hoge kosten en trage afhandeling van dataverkeer liet de doorbraak van industrieel ethernet nog lang op zich wachten. Rond 1990 werden de eerste protocollen voor industrieel ethernet geïntroduceerd. In 1999 kwam Modbus/TCP op de markt, Profinet heeft zich in vier stappen in 1999, 2001, 2003 en 2006 aangeboden en EtherCAT dateert van 2005.
Kakofonie van veldbussen
Ondanks de grote onderlinge verschillen beschouwde de industrie de protocollen voor industrieel ethernet als toegevoegde waarde op de bestaande veldbustechnologie die al eerder op de markt was. Maar net als bij de veldbussen waren het opnieuw de grote fabrikanten die hun eigen stempel wisten te drukken op de bijbehorende protocollen. De pogingen om ook een ‘universele’ of ‘open’ oplossing voor realtime ethernet te ontwikkelen, liepen dan ook vast in dezelfde kakofonie als die van de verschillende merkgebonden oplossingen voor de veldbussen. De markt voor industrieel ethernet deelde zich opnieuw op in verschillende oplossingen die gebonden waren aan fabricaten die niet met elkaar door een deur konden.
Ondertussen werkte in 2011 een werkgroep binnen de IEEE 802.1-gemeenschap aan AVB of Audio Visual Bridging: zeg maar multimedia voor auto’s. Leden van die werkgroep waren afkomstig van Hirschmann en Siemens. Hun doel was de ontwikkeling van een merkonafhankelijke, realtime ethernet-oplossing volgens IEEE 802-specificaties. Het idee bewees zich in de praktijk: een enorme markt lag open voor ethernet in auto’s. De duurdere merken bieden nu steeds meer auto’s met camera’s, audio- en videosystemen en internetverbindingen. Behalve de gewichtsbesparing biedt ethernet als voordeel de enorme flexibiliteit bij het integreren van nieuwe systemen zoals ‘car-assistence’-systemen.
Nieuwe standaards
De stand van zaken is nu dat IEEE 802.1Qbv ofwel ‘Enhancement for Scheduled Traffic’ is afgerond. De werkgroepen hopen in de komende vier jaren ook de andere onderdelen van de Time Sensitive Networking-standaard te kunnen voltooien. Dankzij de regels die gelden voor de formulering van de IEEE 802.1 wordt er ook voor gezorgd dat de nieuwe standaards naadloos zullen passen in het gehele TSN-systeem. Daarmee is een belangrijke stap gezet want fabrikanten als Belden kunnen nu al aan de slag met de ontwikkeling van nieuwe oplossingen conform IEEE 802.1Qbv.
Switches met nieuwe chips
De vraag is natuurlijk in hoeverre de normen voor TSN nu in de praktijk worden toegepast. Tijdens de laatste Hannover Messe introduceerde Hirschmann een serie RSP managed ethernetswitches die geschikt is voor gelijktijdige verwerking van tijdkritische en tragere applicaties. Kleineberg: “Industrie 4.0 en Industrial Internet of Things (IIoT) stellen hoge eisen aan industriële netwerken. Zeker gezien de vele soorten en grote hoeveelheden data. Om al die data gelijktijdig te kunnen verwerken, hebben bedrijven behoefte aan een industrieel netwerk met een hoge bandbreedte. In een dergelijk netwerk gebaseerd op standaard oplossingen voor realtime communicatie moet verschillende data kunnen worden afgehandeld. Dat doel is haalbaar dankzij een deterministisch ethernet op basis van TSN-technologie. Op de Hannover Messe hebben we al laten zien dat we deze technologie in onze standaardproducten kunnen inbouwen. Dat doen we door middel van de installatie van updates van onze firmware in de managed switches. Momenteel zijn onze RSP (Rail Switch Power) managed ethernetswitches al zover – tenminste als prototype. In de toekomst zullen we de meeste en misschien wel al onze switches uitrusten met chips en software op basis van TSN.”
Flexibele FPGA
“Onze RSP-serie switches is oorspronkelijk ontwikkeld als oplossing voor redundantie”, vervolgt Kleineberg. "De RSP-serie ondersteunt daarvoor de PRP- en HSR-redundantieprotocollen (PRP – Parallel Redundancy Protocol, HSR – High Availability Seamless Redundancy, red.), en was tot voor kort niet uitgerust met een specifieke chip. Nu hebben we enkele RSP-series uitgerust met een flexibele FPGA die we naar behoefte kunnen updaten met firmware. Zodoende hebben we die RSP-series geschikt gemaakt voor TSN. We hebben daarvoor de programmeerbare FPGA voorzien van de TSN Scheduler als hardware-logica in de FPGA. De stand van zaken nu is dat de FPGA, afhankelijk van onze firmware, kan dienen als switch voor redundantie of als TSN-oplossing. In feite is deze RSP-switch dus nog een prototype. In de toekomst komen we met RSP-switches die in staat zijn beide protocollen tegelijk te ondersteunen.”
Hulsebosch sceptisch
Rob Hulsebos, eigenaar van Enode Industrial Networks en al jaren actief op het gebied van industriële besturingen en netwerken, is sceptisch over IEEE 802.1Qbv: “Of er nu één standaard gaat komen voor industriële protocollen is wat mij betreft onwaarschijnlijk. De nieuwe uitbreidingen die nu in voorbereiding zijn, zorgen er voor dat de telegrammen mooi op tijd over het netwerk gesluisd worden. Maar wat betekenen al die nullen en enen allemaal die je binnenkrijgt? Daar moet je toch afspraken over maken? Dat is een taak van de hogere OSI-lagen die ethernet niet afdekt. En dus zullen we zien dat er straks allerlei verschillende afspraken worden gemaakt. Dus het is dan ook niet verbazingwekkend dat men bijvoorbeeld bij Profibus International (de vereniging) al nadenkt hoe men 802.1Qbv kan gebruiken (of aanpassen), c.q. wat de consequenties zijn voor het eigen Profinet-protocol. Een deel hiervan kan immers vervallen, maar dit is wel nu ingebouwd in de speciale Profinet-chips. Wil men wel een nieuwe variant? Ook de concullega-protocollen zullen vergelijkende stappen nemen. Het gevolg zal dan misschien zijn dat we straks een Profinet-op-802.1Qbv, een EtherNet/IP-op-802.1Qbv, Powerlink-op-802.1Qbv et cetera hebben. Dus ook de verschillende industriële ethernetprotocollen zullen dan nog steeds incompatibel zijn. Wat we wel kunnen bereiken is dat de fundering van alle protocollen dan hetzelfde is. Maar of je dan verschillende protocollen gelijktijdig op hetzelfde netwerk kunt draaien? Ik denk dat zoiets moeilijk blijft.” Bovendien moet je volgens Hulsebos de vraag stellen wie daar belang bij heeft.
Verschillende protocollen naast elkaar
TSN richt zich als universele oplossing inderdaad alleen op OSI-lagen 1 en 2, beaamt Kleineberg. Hij acht het heel waarschijnlijk dat alle belangrijke industriële netwerken TSN als transportmedium zullen gaan overnemen. Natuurlijk is het niet waarschijnlijk dat TSN de katalysator gaat zijn die alle bestaande industriële automatiseringsecosystemen zal verenigen. Het is niet realistisch om dat van TSN te verwachten, volgens Kleineberg, omdat zeker Profinet en EtherNet/IP zo’n grote en gevestigde klantenkring hebben dat een dergelijke omwenteling erg onwaarschijnlijk wordt.
“Maar dit betekent niet dat TSN niks brengt. Industriële ethernetnetwerken kunnen nu eindelijk op een gemeenschappelijke laag-2 infrastructuur worden gebaseerd zonder te worden gescheiden of te worden verbonden met kostbare gateways of protocolvertalers die geen echte waarde voor het automatiseringssysteem hebben. Een hoop verspilling en onnodige complexiteit in de huidige netwerken kan zo worden geëlimineerd. Voor bijvoorbeeld Profinet en Ethernet/IP betekent dit dat de technologie zich kan richten op hetgeen echt belangrijk is: de toepassing. Dit maakt het ook weer mogelijk voor de eindgebruiker om onafhankelijk van hun netwerk de juiste automatiseringsapplicatie te selecteren, zonder het gevaar te lopen zich op een specifieke leveranciergebonden netwerktechnologie vast te leggen.
“Juist technologie als IEEE 802.1Qbv maakt het mogelijk dat verschillende protocollen naast elkaar kunnen bestaan binnen een netwerk. TSN is een belangrijke stap voor de industriële automatisering: een gemeenschappelijke technologie voor laag 2 verlaagt het investeringsrisico en is de basis voor verdere harmonisatieontwikkelingen, zoals ook recente initiatieven in de IETF (Internet Engineering Taskforce) met DetNet (Deterministic Networking, red.) en het werk van de OPC Foundation heel duidelijk laten zien.”
Dit artikel verscheen eerder in A&B.