Das „Time Sensitive“-Netzwerk (zeitkritisches Netzwerk) (TSN) ermöglicht eine einzelne, offene Netzwerkinfrastruktur, welche die Interoperabilität mehrerer Anbieter durch Standardisierung und IT- und OT-Konvergenz mit Servicegarantie unterstützt.
Ursprünglich wurde der TSN-Standardsatz konzipiert, um zeitkritische Daten in einem geschlossenen Kreislauf an Maschinen zu übermitteln und die Situationen zu bewältigen, mit denen konventionelle Ethernet-Netzwerke nicht umgehen können. Diese „Time Sensitive“-Netzwerke (zeitkritische Netzwerke) spielen aber auch bei der Reduzierung des Unfallrisikos und der Erhöhung der Sicherheit in den Fabriken eine wichtige Rolle.
Es gibt allgemeine Sicherheitsrisiken in der Produktionsumgebung, die sich auf Gesundheit und Sicherheit eines Fabrikarbeiters im Produktionsbereich sowie auf die allgemeine Sicherheit der Fabrik auswirken können. Fabrikbesitzer und Hersteller müssen daher detaillierte Sicherheitsrichtlinien umsetzen und damit sicherstellen, dass das Risiko von Verletzungen und einer Exposition der Arbeitnehmer gegenüber schädlichen Chemikalien erheblich reduziert wird.
Gefahren wie beispielsweise Maschinenausfälle, die zu Unfällen und Verletzungen von Arbeitnehmern führen, Exposition gegenüber schädlichen Chemikalien, Brandgefahren, toxische Verschmutzungen und übermäßiger Lärm der Maschinen müssen in den Sicherheitsrichtlinien und -plänen eines Werks berücksichtigt werden.
Allgemeine Sicherheitsrisiken in der Fabrik und die mögliche Anwendung von TSN
1. Im Tandembetrieb laufende Maschinen
In typischen Fabrikumgebungen oder Produktionslinien arbeiten Maschinen oder Anlagen oft parallel – wobei eine Maschine auf Daten oder Rückmeldungen einer anderen Maschine angewiesen ist. Ein konventionelles Ethernet-Netzwerk kann in der Regel die Datenübertragung übernehmen. Aber sobald das Netzwerk mit Traffic gesättigt ist, kann es bei der Datenübertragung zu Problemen kommen, und die Synchronisation könnte unterbrochen werden.
Dies kann wiederum zum Ausfall von Maschinen oder zur Unterbrechung der Fertigungsprozesse führen, was wiederum erhöhte Gefahren in der Fabrikumgebung nach sich zieht. Mit der Anwendung des TSN-Standardsatzes können Situationen mit zusätzlichem Datenverkehr bewältigt werden. Zudem ermöglicht er eine zuverlässige Datenübertragung, die durch dichten Netzverkehr nicht beeinträchtigt wird, und über größere Entfernungen als bei einem Ethernet-Netzwerk.
2. Innerhalb von Millisekunden benötigte Echtzeitdaten
Für Abläufe wie beispielsweise eine Robotersteuerung sind Echtzeitdaten innerhalb von Millisekunden erforderlich. Falls Maschinen diese Daten nicht rechtzeitig erhalten, führt dies zum Ausfall des gesamten Prozesses und der Montagelinie. Roboterarme haben beispielsweise das Potenzial, sich mit hoher Geschwindigkeit und Kraft über ihre Basis zu bewegen. Dies könnte schwere Verletzungen verursachen, falls sie nicht ordnungsgemäß funktionieren, weil Daten nicht empfangen werden.
Ethernet-Verbindungen können nicht gewährleisten, dass diese Datenpakete im manchmal notwendigen Zeitrahmen von 1 µs übertragen werden.
Andere Anlagen im Fertigungsbereich haben oft bewegliche Teile, rotierende Kettenräder und Zahnräder oder funktionieren mit einer Schneid- oder Scherwirkung. Werden diese Maschinen nicht innerhalb des Zeitrahmens, in dem sie arbeiten sollen, streng kontrolliert, so können diese Teile die Fabrikarbeiter gefährden, die mit den Maschinen arbeiten und erwarten, dass ein bestimmter Prozess innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erfolgt.
Da die TSN-Standards auf Zeit ausgerichtet sind und TSN entwickelt wurde, um sicherzustellen, dass Daten auf zweckmäßige Weise von einem Sender zu einem Empfänger übertragen werden können, können mit TSN-Konnektivität und Echtzeit-Datenübertragung gefährliche Situationen vermieden werden, die durch Probleme mit dem Zeitrahmen auftreten könnten.
3. Austreten giftiger Chemikalien und Brandgefahren
In einer Umgebung wie zum Beispiel einer Ölraffinerie besteht immer die Gefahr von Bränden und toxischen chemischen Emissionen durch brennbare Chemikalien wie Methan, Butan und viele andere Kohlenwasserstoffe, die in die Abläufe einer Rohölraffinerie einbezogen sind. Zu den typischen Gefahren in einer Ölraffinerie gehören neben Bränden und Explosionen auch Erstickung, Verbrennungen sowie das Einatmen und die Ätzwirkung giftiger Stoffe.
Die Quellen dieser Gefahren sind unter anderem Kessel, Heizkörper, Lagertanks, Cracking-Anlagen, Wärmetauscher und eine Vielzahl anderer Geräte und Maschinen des Werks. Die meisten Raffinerien und Anlagen haben Alarmvorrichtungen und Sensoren, die das Brand- und Toxizitätsrisiko überwachen.
Die Einführung eines TSN-Netzwerks könnte diese Erkennungs- und Alarmsysteme jedoch erheblich verbessern, da es die kritischen Daten schnell an die zentrale Steuereinheit übermitteln kann. So wird sichergestellt, dass die Betreiber die entsprechenden Maßnahmen ergreifen können und Arbeitnehmer weder gefährdet noch verletzt werden.
4. Übermäßiger Lärm
Lärmprobleme in Fabrik- und Produktionsumgebungen sind ein häufiges Problem. Wenn Mitarbeiter oft Lärm ausgesetzt sind, kann dies mit der Zeit zu einer starken Verschlechterung des Gehörs führen. Üblicherweise werden Mitarbeiter angewiesen, Ohrstöpsel oder einen Gehörschutz zu tragen, um die Auswirkungen der Lärmbelastung einzudämmen. Einige Fabriken verwenden absorbierende Schalldämpfer, um die Auswirkungen des Lärms zu reduzieren.
Defekte oder nicht ordnungsgemäß gewartete Maschinen und Anlagen können zu übermäßigem, schädlichem Lärm führen. In einem solchen Szenario ist Zeit ein entscheidender Faktor. Sollten die im Werk oder an den Maschinen installierten Sensoren eine Zunahme des Lärms erfassen, so müssten diese Informationen schnell an die Server oder die HMI übermittelt werden. Die Arbeiter könnten dann später angewiesen werden, entweder das Gebäude mit sofortiger Wirkung zu verlassen oder die Probleme verursachenden Maschinen abzuschalten.
In diesen Situationen wäre ein TSN-Netzwerk von großem Vorteil, da das TSN-Netzwerk die Daten mit geringem Jitter, ohne Paketverlust und zweckmäßig übermitteln könnte.
Einführung des TSN in das Sicherheitshandbuch bzw. die Sicherheitsrichtlinie einer Fabrik
Alle Fabriken, Anlagen und Hersteller müssen im Rahmen ihrer Standardbetriebsverfahren Sicherheitspläne, -verfahren und -leitfäden entwickeln.
Um das TSN im Rahmen des Sicherheitsplans der Fabrik einzuführen, wird empfohlen, dass der Werksleiter zunächst alle möglichen Risiken und Gefahren im Zusammenhang mit allen Maschinen und Prozessen seines Werks erfasst. Der nächste Schritt wäre die Identifizierung aller Maschinen und Montagelinien, die kritische Echtzeitdaten benötigen, und der mit diesen Maschinen verbundenen Gefahren, falls ihre Anforderungen an die Daten nicht erfüllt werden.
Schließlich würde der Betriebsleiter ein TSN-Netzwerk implementieren und dieses hinsichtlich Datenverwaltung und effizienter Datenbereitstellung klassifizieren. Die Fabrikleitung würde die mit diesem Netzwerk verbundene Risikominderung detailliert beschreiben.
Hinsichtlich der tatsächlichen Integration in bestehende Netzwerke werden in der Regel die TSN-Bridge und der Endpunkt an ein IoT-Gateway, ein SCADA-System oder eine HMI angeschlossen, um in das bestehende Informationsmanagement der Fabrik integriert zu werden. Ein wichtiger Vorteil der TSN-Normen ihre Offenheit, so dass Interoperabilität kein Thema ist.
So würde sichergestellt, dass die Daten bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Das kann im Notfall oder im Rahmen der Standardprozesse zu mehr Sicherheit in der Fabrik beitragen.
Schlussfolgerung
Die Frage „Kann TSN die Sicherheit in der Fabrik unterstützen?“ kann mit einem klaren Ja beantwortet werden. Das Ethernet ist in vielen Branchen und Arbeitsumgebungen traditionell die bevorzugte Verbindung für Datenübertragungen über digitale Kabel. Das Ethernet hat jedoch entscheidende Einschränkungen und kann daher nicht so effektiv wie TSN-Netzwerke dazu beitragen, in der Fabrik oder Produktionsumgebung Gefahren am Arbeitsplatz einzudämmen.
Der TSN-Standardsatz bietet Lösungen, um den Jitter zu minimieren und die erforderliche Zeitplanung für Maschinen und Montagelinien vorzunehmen und zu bestimmen. Außerdem hat TSN das Potenzial, bei zukünftigen Sicherheitsverfahren der Fabriken und in den Prozessen eine wichtige Rolle zu spielen.
