Profinet und TSN: Skalierbare Echtzeit-Kommunikation für moderne Produktionsnetze
Klassisches Ethernet stößt in der Industrie bis heute an Grenzen, wenn zeitkritische Steuerungsaufgaben gefragt sind. Time Sensitive Networking (TSN) setzt genau hier an: Als funktionale Erweiterung des Ethernet-Standards ermöglicht TSN eine deterministische, hochpräzise Kommunikation auf Basis kostengünstiger Standardhardware. In Kombination mit Profinet lassen sich Echtzeitsteuerung, IT-Kommunikation und Investitionsschutz zusammenführen – ohne Spezialtechnik oder komplexe Konfiguration. Der Beitrag zeigt, wie Profinet TSN nutzt, welche Vorteile sich für Anwender ergeben und wie skalierbare Produktionskonzepte, etwa in der Batteriezellenfertigung, damit effizient umgesetzt werden können.
Das größte Manko heutiger Ethernet-Produkte ist die fehlende Eignung für zeitkritische Steuerungsaufgaben. Diese notwendige Funktionalität hat PROFINET selbst entwickelt und sie in sehr vielen Maschinen und Anlagen zum Einsatz gebracht.
Solche Eigenentwicklungen haben jedoch einen Nachteil: Sie machen den wesentlichen Vorteil des Ethernet Standards zunichte – nämlich die breite und kostengünstige Verfügbarkeit von Hardware. Aus dem Alltag kennen wir das: Jeder Smart-TV, jeder Router und jede Heimautomatisierung verfügt über eine Ethernet-Schnittstelle – ohne Mehrkosten. In der Industrie verhindert bislang die fehlende Funktionalität für zeitkritische Kommunikation eine vergleichbare Entwicklung.
Time Sensitive Networking (TSN) ist eine Weiterentwicklung des Ethernet-Standards. Das bedeutet: In Zukunft wird jede Ethernet-Schnittstelle ohne Mehrkosten das leisten können, wofür heute noch Spezialhardware notwendig ist. Dabei ist es entscheidend, dass bestehende Geräte und Anwendungen weiterhin uneingeschränkt genutzt werden können. Das ist der Vorteil für den Kunden aus der Kombination von PROFINET und TSN.
Anforderungen an industrielle Kommunikation mit Profinet
Eine große Stärke von Profinet ist, dass dasselbe Netzwerk gleichzeitig für zeitkritische Steuerungsaufgaben und für den direkten Zugriff auf Geräte – etwa über Webseiten oder Softwaretools – genutzt werden kann, ohne dass sich beides gegenseitig beeinträchtigt. Dabei ist keine besondere Netzwerkkonfiguration notwendig, was den Betrieb von Maschinen und Anlagen erheblich vereinfacht. Auch Redundanzlösungen für höhere Ausfallsicherheit lassen sich unkompliziert integrieren. Diese Eigenschaft lässt sich treffend mit „Plug&Produce" beschreiben: Ein Profinet-Netzwerk soll sich wie ein gewöhnliches Ethernet-Netzwerk handhaben lassen.
Diese Stärken sollen auch nach der Integration der TSN-Funktionalität vollständig erhalten bleiben. Anwender möchten von den Vorteilen der neuen Technologie profitieren – etwa höhere Übertragungsgeschwindigkeit, geringere Verzögerungen und die Nutzung handelsüblicher Netzwerkkomponenten– ohne dass sich dabei die gewohnte Bedienung oder die Arbeit in den Programmierwerkzeugen ändert.
Eine weitere zentrale Anforderung ist der Schutz bestehender Investitionen – in Geräte ebenso wie in das aufgebaute Know-how. Die TSN-Funktionalität wurde so integriert, dass neue Möglichkeiten wie höhere Übertragungskapazität und der Betrieb größerer Anlagen schrittweise und in Kombination mit vorhandenen Geräten erschlossen werden können – für einen reibungslosen Übergang ohne Brüche. Daher nutzt Profinet die TSN-Funktionalität so, dass die gewohnte Handhabung vollständig erhalten bleibt und bestehende Geräte uneingeschränkt verwendet werden können.
Nutzung von TSN-Funktionalität zur Erweiterung von Profinet
Damit Profinet auch für die Zukunft gut gerüstet ist, werden die Möglichkeiten eines weiterentwickelten Ethernets optimal genutzt. Ein zentraler Vorteil von TSN ist die präzise Zeitsynchronisation: Alle Geräte im Netzwerk senden ihre Daten hochgenau aufeinander abgestimmt – das erhöht die Zuverlässigkeit und Effizienz der Kommunikation deutlich.
Die Weiterleitung von Datenpaketen im Netzwerk funktioniert wie bei klassischem Ethernet – ohne komplizierte Konfiguration. Das Netzwerk findet den richtigen Weg selbstständig.
Damit zeitkritische Steuerbefehle nicht durch andere Netzwerkkommunikation verzögert werden, sorgt eine der Funktionalitäten die unter TSN zusammengefasst wird dafür, dass weniger dringende Datenpakete bei Bedarf kurz unterbrochen werden. Das geschieht automatisch und erfordert keine manuelle Konfiguration. Zusätzlich werden im Netzwerk feste Kapazitäten für die Profinet-Kommunikation reserviert – eine Überlastung ist damit ausgeschlossen.
Durch diese Maßnahmen können vorhandene Profinet Geräte nahtlos mit Netzwerkkomponenten kombiniert werden, die die TSN-Funktionalität bieten – ohne Änderungen an der gewohnten Handhabung und ohne Abstriche beim Investitionsschutz und der Sicherheit.
Profinet Security bleibt erhalten und bietet weiterhin alle notwendigen Schutzmechanismen für den industriellen Einsatz: Secure Cell, Secure Access und Secure Realtime.
Damit profitieren Anwender von den Leistungsvorteilen der TSN-Funktionalität, ohne auf die bewährten Sicherheitsmechanismen verzichten zu müssen – ein weiterer Baustein für einen reibungslosen und sicheren Übergang in die Zukunft der industriellen Kommunikation.
Echtzeit einfach erklärt
- Echtzeit bedeutet nicht „besonders schnell" – sondern vorhersagbar und deterministisch. Eine Steuerung arbeitet in Echtzeit, wenn garantiert ist, dass eine Reaktion auf ein Ereignis innerhalb einer definierten, maximalen Zeitspanne erfolgt – jedes Mal, ohne Ausnahme.
- Der schlechteste Fall zählt. In der Automatisierungstechnik ist nicht der Durchschnitt entscheidend, sondern die sogenannte Worst-Case-Latenz: Auch im ungünstigsten Moment muss die Kommunikation innerhalb des erlaubten Zeitfensters ankommen.
- Standard-Ethernet allein reicht nicht. Klassisches Ethernet arbeitet nach dem Prinzip „best effort" – jeder bekommt, was gerade verfügbar ist, aber niemand bekommt eine Garantie. Für industrielle Steuerungsaufgaben ist das nicht akzeptabel.
Anwendungsbeispiel: Skalierbare Batteriezellenfertigung mit Profinet und TSN
Die bisherigen Abschnitte haben gezeigt, welche technologischen Möglichkeiten die Kombination von Profinet und TSN eröffnen. Ein besonders anschauliches Beispiel dafür, wie diese Möglichkeiten in der industriellen Praxis wirksam werden, liefert die Batteriezellenfertigung – ein Wachstumsmarkt, der hohe Anforderungen an Präzision, Skalierbarkeit und Qualitätssicherung stellt.
Eine typische Batteriezellenfertigungslinie ist ein hochpräziser, taktsynchroner Prozess. Kernschritte wie das Wickeln der Elektrodenfolien oder das Fügen der Zellkomponenten erfordern eine exakte Bewegungssteuerung. Profinet übernimmt dabei sowohl die präzise Antriebssteuerung als auch die Kommunikation mit Sensoren und weiteren Geräten entlang der Linie. Die gesamte Linie wird von einer einzigen Steuerung koordiniert.
Dieses Modell funktioniert zuverlässig – solange eine einzige Fertigungslinie betrieben wird. Sobald jedoch der Produktionsausstoß gesteigert werden soll, stößt der klassische Ansatz an seine Grenzen.
Der naheliegende Weg zur Kapazitätserweiterung ist das parallele Aufstellen weiterer Fertigungslinien. Jede zusätzliche Linie bringt jedoch auch eine eigene Steuerung mit sich, die eingerichtet, gewartet und in die übergeordnete Produktionssteuerung integriert werden muss. Mit wachsender Linienanzahl steigt damit nicht nur der Hardwareaufwand, sondern auch die Komplexität der Koordination zwischen den Linien erheblich.
Genau hier setzt der Einsatz von Profinet mit TSN an. Anstelle einer eigenen Steuerung pro Fertigungslinie übernimmt künftig ein einziger leistungsstarker Industrie-PC oder Server die Steuerung aller Linien gemeinsam. Das gleiche Steuerungsprogramm wird dabei parallel für jede Fertigungslinie ausgeführt, ohne dass für jede Linie eigene Hardware beschafft oder eine separate Einrichtung vorgenommen werden müsste.
Möglich wird das durch TSN: Die Technologie sorgt dafür, dass handelsübliche Netzwerkkomponenten dieselbe Präzision und Zuverlässigkeit in der Kommunikation erreicht, die bislang nur mit spezieller, teurer Hardware möglich war – und dass ohne Änderungen am bewährten Profinet-System.
Das Ergebnis: Eine zentrale, leistungsstarke Steuerung kann über ein Netzwerk mit TSN-Funktionalität mehrere Batteriezellenfertigungslinien gleichzeitig und mit der erforderlichen Präzision betreiben – ohne Abstriche bei der Steuerungsqualität.
Neben der Steuerung der Fertigungsprozesse eröffnet ein Netzwerk mit TSN-Funktionalität auch die nahtlose Integration ergänzender Technologien. So lässt sich beispielsweise eine kamerabasierte Qualitätsprüfung mit KI-gestützter Auswertung direkt in das Netzwerk einbinden. Über das Netzwerk mit TSN-Funktionalität, dass alle Fertigungslinien miteinander verbindet, wird das Kamerasystem als weiterer Teilnehmer angeschlossen – ohne Eingriffe in die bestehende Steuerung und ohne Beeinträchtigung der zeitkritischen Kommunikation.
Die Bildauswertung bewertet kontinuierlich die Qualität der produzierten und gewickelten Batteriezellen, erkennt Abweichungen frühzeitig und liefert Rückmeldungen, die in den Fertigungsprozess zurückfließen. Über die Zeit lernt das System, Fehlerursachen zu identifizieren und Prozessparameter gezielt zu optimieren. Das Ergebnis ist eine schrittweise Steigerung des Durchsatzes bei gleichzeitiger Reduzierung der Ausschussquote – ein messbarer Mehrwert, der sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion auswirkt.
Die Digitalisierung stellt neue Anforderungen an die industrielle Kommunikation in Maschinen und Anlagen: Neben Funktionaler Sicherheit und Cybersecurity rücken große – parallel zu übertragende – Datenmengen sowie steigende Erwartungen an Betriebssicherheit und Verfügbarkeit in den Fokus. Hier setzt Time-Sensitive Networking (TSN) an: Deterministische Kommunikation in Ethernetbasierten- Netzwerken liefert die Grundlage für sichere und zuverlässige Automatisierungslösungen.
Die Artikel-Serie in Kooperation von VDMA Elektrische Automation und GIT SICHERHEIT gibt eine Einführung in die Technologie, beleuchtet verschiedene Anwendungsszenarien und zeigt anhand von drei Industrial-Ethernet-Ökosystemen, worauf es bei Auswahl und Einsatz von TSN zu achten gilt.
VDMA-Ansprechpartner Birgit Sellmaier betreut im Fachverband Elektrische Automation Technik- und Technologiethemen wie Steuerungstechnik und Funktionale Sicherheit in der Anwendung im Maschinenbau.
