Industrie 4.0 ist nicht mehr neu und für viele Unternehmen inzwischen zu einem strategischen
Schwerpunkt geworden. In diesem Whitepaper betrachten wir die Anwendung von Industrie 4.0
auf die Kommunikation in industriellen Prozessen. Um die erforderliche Prozesstransparenz zu
gewährleisten, müssen hierfür unterschiedliche industrielle Ethernet-Protokolle und allgemeine
Informationsprotokolle im selben Netzwerk ausgeführt werden.

Hinter der Umsetzung von Industrie 4.0 steht auf Seiten der Anwender von „Industrial Automation
and Control Systems” (IACSs) die Notwendigkeit, die Wettbewerbsfähigkeit durch Optimierung
ihrer Betriebsabläufe zu verbessern. Konkret bieten Industrie 4.0-Lösungen eine höhere
Prozesstransparenz, wodurch die Unternehmen ihre Aktivitäten besser lenken können.

Transparenz bedeutet, alle möglichen bereitstehenden Produktionsdaten zu verwenden, diese aus
Prozessen direkt zu bekommen, zu analysieren, um dann aussagekräftige Informationen daraus zu gewinnen. Diese Informationen ermöglichen dann einen umfassenden und tiefgreifenden Einblick in das Geschehen der Fertigung. Es ist offensichtlich, dass man Prozesse zunächst analysieren muss, bevor man sie gezielt steuern und optimieren kann.

Dieser Notwendigkeit, Prozessinformationen zu extrahieren, hat das „industrielle Internet der
Dinge“ (Industrial Internet of Things, IIoT) seine Existenz zu verdanken, denn es schafft die
Voraussetzungen für die effiziente Erzeugung, Erfassung, Weitergabe und Analyse von Daten.
Der Grundgedanke ist derselbe wie beim Internet der Dinge (Internet of Things, IoT), wobei hier
physische Produktionsmittel, wie Sensoren und Aktoren, mit Controllern und übergeordneten
Systemen verbunden werden, die sie überwachen, steuern und verwalten.

In der Praxis ist das IIoT die Spezialisierung des IoT für industrielle Bereiche wie z. B. die
Fertigung. Das Resultat ist ein Ökosystem vernetzter Sensorik, Aktorik, Maschinen und
Menschen. Hiermit wird ein detaillierter Überblick über Vorgänge geschaffen und die Kontrolle
aller Produktionsvariablen ermöglicht. Das IoT und IIoT unterscheiden sich allerdings nicht nur
in ihren Anwendungsbereichen, sondern auch in ihrer Leistungsfähigkeit. So wurde das IIoT für
in hohem Maße zeitkritische Prozesse, wie z. B. Highspeed-Verpackungsmaschinen, entwickelt.
Dabei muss die Datenvernetzung der Komponenten untereinander, wie höchst sensibler, sehr
präziser Sensoren mit komplexen, innovativen Steuerungen und Analysesystemen, eine extrem
zuverlässige und vorhersehbare Kommunikation gewährleisten. In ihrer Gesamtheit werden diese
Eigenschaften als „Determinismus“ bezeichnet – eine wesentliche Voraussetzung für Industrial-
Ethernet-Anwendungen.

Während das IIoT eine effektive Technologieplattform für Industrie 4.0-Anwendungen darstellt,
benötigt es seinerseits ein geeignetes, deterministisches Netzwerk zur Nutzung gemeinsamer
Prozessdaten. Diese Transparenz setzt Konvergenz voraus, d. h. verschiedene Arten von
Datenverkehr in einem Netzwerk zusammenzuführen. Determinismus ist dafür die Voraussetzung.

Time-Sensitive Networking (TSN) ist die Technologie, der sich die Automatisierungswelt
mit diesem Konvergenzbedarf zuwendet.

CC-Link IE TSN: One Network. One Solution.

Um in den anspruchsvollen und schnelllebigen Märkten wettbewerbsfähig zu bleiben, führt an Industrie-4.0-Applikationen branchenübergreifend kein Weg vorbei. Damit die ständig wachsende Datenflut, die von automatisierten, smarten Fertigungsstrategien generiert wird, sinnvoll genutzt werden kann, brauchen die Unternehmen robuste und zukunftssichere industrielle Kommunikationsnetzwerke. Erst damit sind die Vorteile der Digitalisierung in vollem Umfang auszuschöpfen.

Die Technologie, die die entsprechenden Voraussetzungen schafft, ist TSN, weil diese Technologie konvergente Netzarchitekturen ermöglicht, über die der gesamte OT-Datenverkehr übertragen werden kann. Die OT-Daten sind damit effizienter zu handhaben und können zudem an die IT-Ebene weitergegeben werden, die daraus verwertbare Informationen zur Prozessoptimierung ableiten kann. In Kombination mit der Gigabit-Bandbreite beinhaltet TSN außerdem ausreichende Kommunikations¬kapazität für die gemeinsame Nutzung von immer größer werdenden Datenmengen im gesamten Unternehmen.

Eine Schlüsseltechnologie, die TSN-Funktionalität und die Gigabit-Bandbreite bietet, ist CC-Link IE TSN, das erste offene industrielle Ethernet, das diese Eigenschaften miteinander kombiniert. Außerdem wird CC-Link IE TSN von führenden Automatisierungsanbietern weltweit unterstützt. Daher können Unternehmen in den unterschiedlichen Schlüsselindustrien schon jetzt aus einem großen Angebot an bewährten, interoperablen Automatisierungskomponenten für ihr Digitalisierungsvorhaben wählen.

Das Potenzial von transformativen Digitaltechnologien gemäß Industrie 4.0 ist in der Industrie unumstritten. Allerdings ist das damit verbundene große Datenaufkommen ein zweischneidiges Schwert: Einerseits bergen diese Datenmengen ein Potenzial, das in Form wertvoller Informationen zur Prozessoptimierung verwendet werden kann. Andererseits drohen diese Datenmengen, sofern sie nicht gut gehandhabt werden, zu einer Datenflut anzuwachsen, die Unternehmen überfordert und somit mehr Probleme schafft, als sie löst.

Elementar für das Management großer Datenmengen und um wertschöpfende Strategien der digitalen Transformation zum Erfolg zu führen, ist eine konvergente Netzwerkinfrastruktur mit großer Bandbreite. Einfach ausgedrückt ist Konvergenz das Konzept, bei dem alle Komponenten über dieselbe Netzwerkarchitektur kommunizieren. So lassen sich Komplexität und Kosten für mehrere Netzwerke einsparen. Das „ideale System“ schafft Voraussetzungen für deterministische Highspeed-Kommunikation in Echtzeit zwischen unterschiedlichen Komponenten und Systemen, zur gemeinsamen Nutzung von Daten im gesamten Unternehmen. Dies geschieht unabhängig vom Ort der Datenerfassung und deren Verwendungsziel. Letzten Endes geht es um die Prozesstransparenz, die für den vollständig optimierten Betrieb erforderlich ist. Dies ist dann gegeben, wenn Daten nahtlos von der Quelle an die Stelle gelangen, an der sie zu verwertbare Informationen zur Prozessoptimierung verarbeitet werden. Das gilt keineswegs nur für Systeme zum Monitoring, sondern auch für Echtzeitsteuerungen und deren Koordinierung in unterschiedlichsten Systemen in Fertigungsbereichen bzw. im Bereich der OT (Operational Technology).

Dieses vorliegende Whitepaper betrachtet die Netzwerktechnologie, die die entsprechenden Herausforderungen bewältigt: Time-Sensitive Networking (TSN).
In einer Vielzahl von Industrien sind mit Hilfe von TSN vier konkrete Vorteile erreichbar:

1. Kostenreduktion durch kürzere Projektlaufzeiten, höhere Verfügbarkeit, Komplexitätsabbau bei Netzwerkarchitekturen und somit den Maschinenkonstruktionen. Durch Datenkonvergenz benötigen Systeme keine unterschiedlichen Netzwerktypen mehr, um den gesamten Prozessdatenverkehr abzuwickeln.

2. Bessere Prozesstransparenz und optimierte Abläufe: Konvergente Netzarchitekturen ermöglichen es Daten, einfacher dorthin zu kommen, wo sie am effektivsten genutzt werden können. Wie bereits aufgezeigt, ist dies für ein optimales Prozessmanagement von großer Bedeutung.

3. Größere Produktivität durch optimierte Prozessabläufe.

4. Optimierte Integration von OT- und IT-Systemen, wodurch konvergierte Datenströme aus der Produktion leichter an die Überwachungssysteme übermittelt werden können. Diese Daten gelangen leichter dorthin, wo sie analysiert werden. Dies wiederum trägt zur Prozessoptimierung bei.

„Connected Industries“ sind in hohem Maß auf Informationsgewinn, basierend auf Daten aus der Fertigung, angewiesen. Voraussetzung hierfür ist die nahtlose Vernetzung vom kleinsten Sensor in der Fertigung bis hin zu Enterprise-Systemen und darüber hinaus. Nur so lassen sich Abläufe gemäß Smart Manufacturing automatisieren.

Um Unternehmen den Aufbau von solchen zukunftssicheren Infrastrukturen zu ermöglichen, müssen Anbieter von Automatisierungskomponenten die neuesten und aussichtsreichsten Entwicklungen für industrielle Netzwerke in ihre Produkte integrieren. Hierzu gehört zweifelsohne Time-Sensitive Networking (TSN), eine innovative Technologie für die Ethernet-basierte industrielle Kommunikation, die smarte Betriebsabläufe in den Fabriken der Gegenwart und in den „Connected Industries“ der Zukunft unterstützt.

Wie können Automatisierer fortschrittliche Lösungen mit TSN anbieten? Was ist bei der Entwicklung erfolgreicher und wettbewerbsfähiger Lösungen zu beachten?

Das vorliegende White Paper beschreibt das TSN-Entwicklungsökosystem der CLPA, welche Lösungen infrage kommen und wie existierende Komponenten mit konventionellem Industrial Ethernet TSN-Kompatibilität erreichen können. Darüber hinaus gibt dieses Dokument Empfehlungen zur erfolgreichen Implementierung von TSN und zur Bereitstellung von Schlüssellösungen für zukunftsorientierte Applikationen.