直通未来:TSN – 赋能PROFINET 和 OPC UA

Time-Sensitive Networking – Straight talk: Siemens is leading the way.

时间敏感网络 — 直通未来:我们对数字化的承诺

数字化给工业通信设立了非常高的标准。凭借现场层的 PROFINET 和控制层的 OPC UA,西门子一直致力于推动基于开放通信标准的工业以太网快速发展。如今,西门子又更进一步:将时间敏感网络(TSN)标准应用于以太网,从而在工业网络中实现预留带宽、服务质量(QoS)机制、低传输延迟以及多种协议(包括实时协议)的并行传输。

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TSN 将来是否会取代 PROFINET?
TSN 常见问题 9 I Matthias Gärtner,西门子工厂自动化事业部数字工厂产品经理

“PROFINET 基于 TSN”规范完成

PROFINET规范2.4版本已经完成,所有PI成员都可以下载。该规范首次在PROFINET标准中包含时间敏感网络(TSN)功能。在PI批准PROFINET规范V2.4后,也可以获得该规范的出版物。当然,规范2.4版本还包含了独立于TSN的PROFINET的所有细节——与往常一样,PROFINET将与所有以前的版本完全兼容。

从PROFINET应用现场以及从其它相关标准活动中获得的经验,将会一步步的编入到IEC/IEEE 60802 (聚合的 TSN 网络) 中。

 更多信息,参见PI 网站

(更多关于 TSN 的常见问题将持续发布,已发布的常见问题见页面下方的“TSN 是什么”部分。)

TSN 是什么?

直通未来:PROFINET 和OPC UA基于 TSN

随着生产过程数字化程度的不断提高,这要求工业通信越来越具有开放性、稳健性、确定性和灵活性。只有通信和响应极其敏捷的产线才能确保快速可靠地生产个性化产品,同时满足严格的交付计划。

迈向数字化的一大步

与工业控制系统把实时通信放首位不同, IT 系统则把对数据的开放访问看得更重,这也是企业分开运营这两种网络的原因。面对日益增长的数字化,这种分离现在必须由开放的、允许灵活性和确定性生产的端到端网络所取代。TSN (时间敏感网络)在 IEEE 802.1 框架范围内创建了标准的技术基础,以保证服务质量(QoS)和以太网日益增长的需求。TSN 包含多个独立的标准,这些标准只属于OSI 通信的第 2 层。这意味着使用 TSN,用户接口将保持不变。

 

从汽车工业到机械制造,或是食品饮料工业, TSN 为工业生产提供了决定性优势,包括预留带宽、服务质量(QoS)机制、低传输延迟和多协议(包括实时协议)的并行传输。西门子将凭借 TSN 打造工业网络的数字化转型---从现场层和机器对机器(M2M)通信到控制层和操作层。

共同推动发展

TSN 已经有了良好的开端。作为其持续开发的一部分,LNI4.0(Labs Network Industrie 4.0,工业4.0网络实验室)正在对TSN进行测试。LNI4.0 连接了遍及德国的测试环境和装置,以推进工业 4.0 的发展,西门子是创始成员之一。与许多其它工业企业一道,LNI4.0正在尽其所能的测试来自不同供应商 TSN 产品的互操作性,并依托其测试床研究评估 TSN 在M2M 通信和机械网络连接至云端方面的潜力。所获得的知识将根据需要提供给标准化委员会,以用于未来开发。

有关 TSN 的常见问题

未来TSN会替代PROFINET吗?

独自的TSN的永远不会取代PROFINET,因为TSN其本质是通信协议可以基于其运行的一些基础技术。

PI (PROFINET international)已经在RT和IRT之外,着手将PROFINET应用于基于TSN的网络。

TSN使得2层的实时机制标准化,在当前基于以太网的现场总线系统(如PROFINET IRT)中,这通常是由特殊的硬件解决了的。未来基于TSN运行的协议因此可以运行在符合IEEE标准的硬件之上,甚至是等时的应用。以这种方式,PROFINET基于TSN在标准硬件上提供了PROFINET IRT的那些已知优势(时间精度、抖动、带宽预留、诊断等 )。

 

当然,RT和IRT仍将保持作为PROFINET规范的一部分,并将从PROFINET的创新中继续获益。

 

另外,PROFINET基于TSN不只适用IRT的应用(如等时运动控制应用),也适用于RT所解决的应用。

融合对于 TSN 意味着什么?

在“融合网络”中,不同应用的数据可同时通过一根电缆传输。

 

这样,OPC UA基于 TSN 传输的实时数据、基于 MQTT 的云数据、视频数据和其它工业实时协议数据(如:基于 TSN 的 PROFINET)可以并行传输。

与当前的以太网相比,支持 TSN 的以太网有哪些优势?

简单说来,具有 TSN 的以太网在现有以太网之上补充了保证服务质量(QoS)方面的机制,包括带宽预留、同步、低延迟、甚至无缝冗余。

 

上层应用在网络上标识它的通信需求,由网络来保证所请求的 QoS。各种连接以流的方式运行,流所享有的带宽保护由以太网交换机内存中的资源分配实现。基本上,每种流均可实时运行。由于这些流的内部封装,TSN 可以在单个网络中同时运行多个实时协议(网络融合)。这与当今基于以太网的实时协议有着根本的不同,后者网络中仅允许一种实时协议。

TSN 是否需要特殊的以太网处理器,或者当前标准以太网组件也可运行?

TSN 需要“支持 TSN”的硬件模块;当前安装的以太网模块通常无法通过软件扩展到TSN。

 然而,可以预见的是,“标准以太网模块”在未来将成为支持 TSN 的以太网模块。这是西门子将 PROFINET 应用于 TSN 的主要驱动因素。所有主要的模块制造商已经开始开发,或者至少已宣布他们将开发具有 TSN 机制的硬件模块。对于设备制造商而言,这为设备的各种硬件设计提供了许多可能性。

我将来是否需要 OPC UA 和 PROFINET?

是,OPC UA 和 PROFINET 是在 ISO-OSI 模型第 5 层至第 7 层中使用的协议。OPC UA 和 PROFINET 均将在第 2 层使用 TSN 作为基础技术。OPC UA 在垂直通信和机械的控制层联网方面具有优势, 而PROFINET 则满足现场层的所有要求。这也是西门子保持其战略不变的原因:

  • 控制层及以上=  OPC UA
  • 现场层=  PROFINET

OPC UA 是什么?

OPC 统一架构(OPC UA)是安全、可靠、独立于制造商以及平台的工业通信标准。

 

OPC UA 非常适合交换许多不同自动化组件制造商提供的应用程序之间各种操作系统的数据,而且定义了垂直通信。

 

OPC UA 有两个版本---客户端/服务器和PubSub(发布/订阅)。

 

  • OPC UA 客户端/服务器 通信是一种点对点通信。在这种通信中,客户端可以访问服务器的数据,其始终以 TCP/IP 作为基础,因此,永远无法实现实时运行。
  • OPC UA PubSub 方法引入了“一对多”通信。发布者提供数据,然后由网络中任意数量的订阅者接收这些数据。OPC UA PubSub根据性能要求可通过各种协议(例如: UDP)实现。

通过基于 TSN 的 OPC UA PubSub 实施哪些应用?

OPC UA 起源于垂直通信,目前正在 M2M 通信市场上逐渐建立起来。

 

控制器层的实时通信需求本质上仅限于控制器对控制器的通信。出于技术原因,只有 OPC UA PubSub 方法可以与 TSN 相结合。客户端/服务器访问当然也可以在基于TSN 机制的以太网网络(TSN 网络)运行,但是,由于其基于 TCP/IP,因此无法映射到支持实时和带宽保护的流中。

新 TSN 标准 IEC/IEEE 60802 是什么?

即将发布的 IEC/IEEE 60802 标准是 IEC SC65C/MT9 和 IEEE 802 的合作项目,在该项目中来自标准以太网和基于其上的应用协议专家紧密合作。该标准将专门为工业自动化定义一个TSN 规范,包括功能、相关协议配置模型以及可能的选项。这是实现网络融合的唯一方法,即,不同的协议使用相同网络。

 

未来,建立 TSN 网络的所有组件均须按照IEC/IEEE 60802 (TSN-IA)进行标准化。该规范基于相应的用例,第一个正式版本预计在 2022 年发布。

TSN实践

TSN 之路:PROFINET 和 OPC UA

TSN对现有IEEE 标准的影响仅限于 OSI 通信第 2层。TSN 不是通信协议;而是一项基本技术。在未来几年里,这项技术将成为 PROFINET和 OPC UA 发展的“加速器”。

离散工业的TSN演示模型

机器间通过 TSN 进行通信---西门子展示其工作原理

M2M 间基于 TSN 的通信在实践中应用是怎样的?不要停留在理论上,西门子在展会上展示了实际的模型,其使用两个机器人的同步运动在实践中证明这一点。每一个机器人通过 PROFINET 与 SIMATIC 控制器进行通信。而两个控制器间则通过基于 TSN 的 OPC UA PubSub (发布/订阅)进行同步。得益于带宽预留,TSN 网络中的数据传输可进行精确预测,并与负载无关。

 

为演示 TSN 通信和标准以太网通信可以在同一网络中同时使用,模型中的数据也通过通信处理器从控制器传输到云端(例如:MindSphere)。

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