Simulation as a service für TSN-IA profile

Abstract

Bereits heute stellt das globaleMarktumfeld Produzenten vor enormeHerausforderungen: steigende Produktqualität bei immer kürzeren Time-to-Market-Zyklen. Dies sowie die ebenfalls zunehmenden Einzelstückanfertigungen führen bereits heute zu einer Auflösung der starren Automatisierungspyramide. Die Tage der Automatisierungsinseln und starren Produktionsanlagen sind somit gezählt. ZukünftigeProduktionsanlagen werdenin einem hohen Maß flexibel und dynamischsein.Die daraus resultierenden Anforderungen an die digitale Industrie von Morgen erfordern insbesondere auch im Hinblick an die industrielle Kommunikation sowie der zugrundeliegendenNetzwerkinfrastruktur ein erhöhtes Maß an Flexibilität und Automatisierung.Das aus der SW-Entwicklung bekannte DevOps-Konzeptzur Verbesserung der Softwarequalität undderGeschwindigkeit derSoftwareauslieferung wird zunehmendum Netzwerkaspekte wie Infrastruktur und Konfigurationerweitertund unter dem Begriff NetDevOps zusammengefasst. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit einer möglichen Übertragung des NetDevOps-Ansatzes auf zukünftige IEC/IEEE60802TSN-IA Profilbasierende Automatisierungsnetze, um applikative Anforderungen an das konvergente Automatisierungsnetz über dengesamten Lebenszyklus hinweg zu validieren,umanschließendeautomatische Änderungen an Kommunikations-und Netzwerkinfrastrukturparametern zu ermöglichen.Im Fokus des dargestelltenNetDevOps-Ansatzesin Abbildung 1steht dabei derNetwork Engineer, der dasNetzwerkund dem aus der Applikation resultierenden Netzwerkverkehrsnicht nur auf Echtzeitgarantien von Ankunftszeitenvalidieren kann,sondern auch aufMittelwerte, HäufigkeitsverteilungundweiterenDienstgütekriterien deskonvergenten, industriellenNetzes.Betrachtet werden sowohl Eigenschaften des zeitkritischenals auch zeitunkritischen Netzwerkverkehrs wie beispielsweise mit Best EffortDienstgüte für IIoTund KI-Monitoring-und Diagnoseapplikationen. Dabei wurde eine CI/CD-Pipelineaufgesetzt, die aus einer TSN-Netzwerkplanung und dem zugrundeliegendenAlgorithmus und einem aufOMNEST/OMNeT++basierendenNetzwerk Simulatorszur Evaluierungder berechneten Ablaufplanungbesteht.So werden vom DevTeam kontinuierlich neue Entwicklungen und Verbesserungen eingespeist.Der Network Engineer nutzt diese CI/CDPipelineals Simulation asa Serviceundübergibt diesereineNetzwerkbeschreibungmit applikativenAnforderungen an das konvergente Automatisierungsnetz. Als Beispiel eines IEC/IEEE60802TSN-IA ProfilbasierendenindustriellenAutomatisierungsnetzes wurde Profinet über TSN herangezogen, da PROFINETeines der führendenIndustrial Ethernet-Protokolleist, die in der Fabrikautomation eingesetzt werden.Der TSN Scheduling Algorithmusder CI/CD Pipelinefungiert als CNC undplant die TSN Streams in Hinsicht auf Datenpfade, Sendereihenfolge und Phasenallokation.DieValidierung des konvergenten Netzes wird durch eine in OMNEST/OMNeT++durchgeführte Simulation erweitert, indem neben denProfinet TSNStreams auchDatenströme anderer Applikationen wie z.B. Diagnoseanwendungen, KI,usw. simuliert werden.Profinet TSN Streams haben Garantien(=Worst Case/obere Schranke), die vom CNC errechnet werden, d.h. der Anwender kann sich hierauf verlassen. Interessant sind aber u.U. auch die zu erwartenden Mittelwertefür Anlagenbetreiber, evtl. lassen sich hieraus auch Konfigurationsoptimierungen ableiten wie eines kleinerenAktualisierungsintervalls, das wiederum einen höheren Produktionstaktermöglicht.Dasvom Netzwerk Ingenieurbeschriebene Netzwerk mit dem aus der Applikation resultierenden Netzwerkverkehrswird simuliertund die Simulationsergebnisseanschließendaufdie applikativen Anforderungen überprüft.Der NetzwerkIngenieurerhält die Ergebnisse der Netzwerkvalidierung und kann gegebenenfallsnach seinen Wünschen dasNetzwerk verändern, erweiternund/oder optimieren.Nach Rückmeldung vom Netzwerk Ingenieursoll dieNetzwerkkonfiguration bei positiver Netzwerkvalidierung durch die CI/CD Pipeline automatisiert stattfinden.Im Folgenden wirdim Kapitel Konzeptübersichtgenauer auf dasValidierungskonzept derNetzwerkkonfigurationenfür Profinet TSN Anwendungenals Beispiel einesIEC/IEEE60802TSN-IAProfils eingegangen. Anschließend wird im Kapitel Simulationas a Servicedie spezifizierten Simulationselemente desValidierungskonzepts näher beleuchtet. Dabei werden zum einendieverwendeten Implementierungen von standardisierten NetzwerkkomponentenundTechnologien für ein ProfinetTSNApplikationsbeispielbeschrieben,zum anderen dienoch fehlenden Profinetüber TSNEigenschaftenerläutert.Im Kapitel Vorstellung und Diskussion der Ergebnissewird einkonkreterUsecaseeinermöglichen, realitätsnahen ProfinetTSN-IAApplikationvorgestellt, anhand derer die Ergebnisse der implementiertenSoftware-Komponenten derCI/CDPipelinenachvollzogen werden können. Am Ende wird Konzept, Spezifikation und Implementierung des Simulation as a Service für IEC/IEEE60802TSN-IA Profilezusammengefasst und einAusblickgegeben.