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Über dieses Buch

Die Vernetzung von industriellen Produktionssystemen soll in Zukunft auf Basis von Ethernet Time Sensitive Networks (TSN) umgesetzt werden. Die Einführung einer neuen Netzwerktechnik in die Feldebene der industriellen Produktion stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar, da neben Netzwerkfunktionen eine echtzeitfähige Implementierung von Protokollen und spezifischen Anwendungen in die Feldgeräte erforderlich ist. Bei häufig geringen Stückzahlen der anwendungsspezifischen Geräte sind derartige Neuentwicklungen häufig wirtschaftlich nicht tragbar. Migrationsstrategien kommt daher eine entsprechend große Bedeutung zu.
Die Forschungsfrage dieser Arbeit lautet: Wie können bestehende Geräte des Echtzeit-Ethernet-Systems PROFINET mit den geforderten Funktions- und Leistungsmerkmalen wie Zeitsynchronisation und synchronisierte Kommunikation kompatibel mit Ethernet TSN-Netzwerken genutzt werden? Der Autor entwickelte Kompatibilitätsverfahren, mit denen dies möglich wird. Das zentrale Kompatibilitätsverfahren ist der Ethernet TSN-kompa¬tible Bridging-Modus Time Aware Forwarding (TAF), der zeitgesteuerte Kommunikation auf der Basis der Empfangszeit zeitrichtig weiterleitet und per Softwareupdate auf bestehender PROFINET-Hardware implementiert werden kann. Diese Geräte können damit in TSN-Netzwerke integriert werden und synchronisierte Kommunikation mit einem Jitter kleiner als 1 µs nutzen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Einleitung

Zusammenfassung
Industrielle Revolution bezeichnet als Eigenbegriff die Nutzung von technischen Weiterentwicklungen in der Gesellschaft sowie die damit verbundenen organisatorischen Umgestaltungen [K11]. Inzwischen wird von vier industriellen Revolutionen gesprochen [K11]. Die erste industrielle Revolution umfasste insbesondere die Nutzung von Mechanik und Dampfkraft ab etwa 1830. Unter der zweiten industriellen Revolution werden die Nutzung von Elektrizität und die Arbeitsteilung mit Fließbändern in Fabriken anstatt von Manufakturen und Handwerk seit der Jahrhundertwende (1900) verstanden [K11].
Sebastian Schriegel

Kapitel 2. Entwicklung der industriellen Kommunikation und der Anforderungen

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Entwicklung der industriellen IT-Architektur, die Eigenschaften von Industrie 3.0 und Industrie 4.0 sowie die Anforderungen an die zukünftige industrielle Kommunikationstechnik beschrieben. Das Kapitel leitet auf dieser Basis quantifizierbare Anforderungen her.
Sebastian Schriegel

Kapitel 3. Stand der Wissenschaft und Technik

Zusammenfassung
Dieses Kapitel enthält den für die Arbeit relevanten Stand der Wissenschaft und Technik. Dazu zählen spezifische Grundlagen und aktuelle Entwicklungs- und Forschungsstände von Echtzeit-Ethernet-Protokollen und deren Funktions- und Leistungsgrenzen. Insbesondere auf IEEE 802 Ethernet, Ethernet TSN-Profile, Feldgerätearchitekturen und Hardwaretechnologien sowie die Ethernet TSN-Konfiguration und Ethernet TSN-Scheduling-Grundlagen wird eingegangen
Sebastian Schriegel

Kapitel 4. Analyse der Kompatibilität von Ethernet TSN und PROFINET-Hardware

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die von Ethernet TSN geforderten Funktionalitäten, Ressourcen und Leistungseigenschaften [60802R18] denen von bestehender PROFINET-Hardware gegenübergestellt [PNV2.3]. Die Ethernet TSN-Anforderungen wurden dazu den laufenden IEC/IEEE 60802 TSN-IA-Standardisierungsaktivitäten [60802R18] sowie dem bereits verabschiedeten PROFINET TSN-Standard V2.4 [PNV2.4] entnommen. Als Referenz-Standard für Funktionen und Ressourcen bestehender Hardware wurde der PROFINET V2.3-Standard [PNV2.3] verwendet.
Sebastian Schriegel

Kapitel 5. Kompatibilitätsverfahren

Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Ethernet TSN-Kompatibilitätsverfahren vorgestellt, die das Ziel haben, bestehende PROFINET-Hardware mit zwei Ethernet-Ports in Ethernet TSN-Netzwerken nutzen zu können. Es wurden drei Kompatibilitätsverfahren entwickelt: „Time Aware Forwarding“ (TAF), „Verteilter kooperativer Domänenschutz“ (VKDS) und „Individuelle Zeitsynchronisationsgenauigkeit“ (IZG). Das neue Ethernet TSN-kompatible Bridging-Verfahren Time Aware Forwarding ist das Hauptverfahren, das eine grundsätzliche Kompatibilität ermöglicht.
Sebastian Schriegel

Kapitel 6. Validierung der Verfahren

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Validierung der Kompatibilitätsverfahren beschrieben. Dazu erfolgt eine Erläuterung der grundlegenden Validierungsmethoden für vernetzte Systeme. Im Anschluss wird eine für diese Arbeit geeignete Validierungsmethode abgeleitet.
Sebastian Schriegel

Kapitel 7. Zusammenfassung und Bewertung

Zusammenfassung
Das Ziel dieser Arbeit war die Beantwortung der Forschungsfrage, wie bestehende PROFINET-Geräte mit den geforderten Funktions- und Leistungsmerkmalen kompatibel mit Ethernet TSN-Netzwerken genutzt werden können. Es wurden die Funktions- und Ressourcendifferenzen zwischen bestehender PROFINET-Hardware und Ethernet TSN analysiert. Als kritische Inkompatibilitäten wurden neben zu kleinen Weiterleitungstabellen und der notwendigen Synchronisationsgenauigkeit insbesondere die Behandlung von VLAN-Tags in Verbindung mit zeitgesteuerter Kommunikation (Scheduled Traffic) und TSN-Domänenschutzmechanismen identifiziert.
Sebastian Schriegel

Backmatter

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