TSN – turbo řešení pro PROFINET a OPC UA
Time-Sensitive Networking (TSN) – další pokrok na cestě k digitalizaci
Digitalizace nasazuje pro průmyslovou komunikaci laťku hodně vysoko. V oblasti průmyslové komunikace společnost Siemens již nějakou dobu využívá rychle rostoucí standard otevřené komunikace - průmyslový Ethernet PROFINET na úrovni pole a OPC UA na úrovni řízení. Přesto je však společnost Siemens opět o krok napřed. Spoléhá na standardní řešení Time-Sensitive Networking (TSN) založené na Ethernetu pro vyhrazené šířky přenosového pásma s mechanismy kvality služeb (QoS), nízkou latenci přenosu a paralelní přenos více protokolů, včetně protokolů pracujícím v reálném čase v průmyslových sítích.
Bude v nudoucnu PROFINET nahrazen TSN?
TSN sám o sobě nikdy nenahradí PROFINET, vzhledem k tomu, že TSN zahrnuje pouze základní technologii, na které jsou založeny komunikační protokoly. Organizace PROFINET International (PI) se již nějakou dobu snaží zavést použití standardu PROFINET mimo RT a IRT také na standardech založených na TSN.
TSN standardizuje mechanismy v reálném čase na vrstvě 2, které byly v současných systémech u procesních zařízeních založené na Ethernetu, jako je PROFINET s IRT, obvykle vyřešeny pomocí speciálního hardwaru. Protokoly, které běží na základě TSN, budou tedy v budoucnu schopny běžet na hardwaru standardizovaným IEEE, a to i pro izochronní aplikace. Takto je PROFINET s TSN schopný poskytnout výhody již známé z PROFINET s IRT, jako jsou chronologická přesnost, reprodukovatelnost, rezervace šířky pásma nebo diagnostika, ale na základě standardního hardwaru.
Mechanismy RT a IRT samozřejmě zůstanou součástí standardu PROFINET a budou i nadále těžit z inovací PROFINET. Mimo jiné, PROFINET založený na TSN neřeší pouze aplikace IRT (aplikace pro izochronní řízení pohybu), ale také oblast aplikace adresovanou pomocí RT.
(Další dotazy týkající se TSN budou následovat. Nejčastější dotazy, které již byly publikované najdete v části „Co je TSN“ níže na stránce.)
Posouváme se do budoucnosti: PROFINET a OPC UA s TSN
Narůstající digitalizace výrobních procesů vyžaduje stále větší otevřenost, robustnost, předvídavost a flexibilitu v průmyslové komunikaci. Pouze výroba, která komunikuje a reaguje velmi flexibilně, může zajistit rychlou a spolehlivou výrobu jednotlivých produktů a zároveň splnit přísné dodací lhůty.
Obrovský krok směrem k digitalizaci
Zatímco průmyslové řídicí systémy jsou závislé na komunikaci v reálném čase, IT systémy se spoléhají především na otevřený přístup k datům. Proto společnosti provozují tyto sítě samostatně a odděleně. Vzhledem k stále rostoucím požadavkům na digitalizaci musí být toto nyní nahrazeno otevřenou sítí typu „komunikace mezi koncovými zařízeními“, která umožňuje flexibilní a deterministickou výrobu. Time-Sensitive Networking (TSN) vytváří standardizovanou základní technologii v rámci IEEE 802.1 pro zaručenou kvalitu služeb (QoS) se zvýšenými požadavky na Ethernet. TSN zahrnuje řadu individuálních standardů komunikace, které se vztahují výlučně na OSI vrstvu 2. To znamená, že uživatelské rozhraní zůstane nezměněno i s TSN.
Od automobilového průmyslu, strojírenství až po potravinářský průmysl, TSN nabízí zásadní výhody pro průmyslovou výrobu, včetně vyhrazených šířek pásma, mechanismů kvality služeb (QoS), nízké latence přenosu a paralelního přenosu více protokolů, včetně komunikace v reálném čase. Proto společnost Siemens doporučuje TSN jako ideální řešení na cestě k digitální transformaci průmyslových sítí, od komunikace na úrovni pole a od stroje ke stroji (M2M), až po úroveň řízení a obsluhy.
Rozvoj řídíme společně
TSN už slibně zahájil svůj testovací provoz. V rámci svého neustálého vývoje se TSN testuje v laboratoři Labs Network Industrie 4.0 (LNI4.0). TestbedLNI4.0 spojuje testovací prostředí a instalace v celém Německu s cílem podpořit vývoj v oblasti Průmyslu 4.0. Společnost Siemens je také jedním ze zakládajících členů. S řadou dalších průmyslových výrobců LNI4.0 dělá vše pro testování interoperability TSN s více dodavateli, provádí výzkum v testovacích laboratořích pro vyhodnocení potenciálu TSN pro komunikaci (M2M) a síťové propojení strojů až do cloudu. Získané znalosti budou poskytnuty standardizačním výborům podle potřeby pro použití v budoucím vývoji.
Nejčastější dotazy týkající se TSN
Co znamená konvergence v souvislosti s TSN?
V „konvergentní síti“ mohou být data z různých aplikací přenášena současně přes jednu linku. Tímto způsobem mohou být data v reálném čase přenášena paralelně pomocí OPC UA založeného na TSN, cloudových dat založených na MQTT, video dat a dalších průmyslových protokolů schopných pracovat v reálném čase, jako je PROFINET založený na TSN.
Jaké jsou výhody Ethernetu s TSN ve srovnání s dnešním Ethernetem?
Ethernet s TSN v podstatě doplňuje stávající mechanismy Ethernetu v oblastech kvality služeb (QoS), včetně rezervace šířky pásma, synchronizace, nízkých latencí a dokonce i bezvýpadkové redundance.
Aplikace signalizují své komunikační požadavky v síti a jsou tak zaručeny požadované QoS (priorizace) v síti. Různé služby probíhají paralelně v tocích a využívají ochranu šířky pásma díky alokaci zdrojů v pamětí ethernetových switchů. V podstatě každý z těchto toků může fungovat v reálném čase. V důsledku těchto zapouzdřených toků TSN také umožňuje provozovat více protokolů schopných pracovat v reálném čase současně v jediné síti (konvergence sítě). To se zásadně liší od dnešních protokolů v reálném čase založených na Ethernetu, kdy síť umožňuje pouze jeden protokol v reálném čase.
Bude TSN vyžadovat nějaké speciální komponenty nebo budou fungovat i stávající standardní ethernetové komponenty?
Pro TSN je potřeba hardwarový komponent schopný přenášet TSN. Aktuálně nainstalované ethernetové komponenty obecně nelze rozšířit pomocí změny firmwaru na TSN. Lze však očekávat, že „standardní ethernetový blok“ bude v budoucnu ethernetový blok schopný TSN. To je hlavním motivačním faktorem pro společnost Siemens, aby uzpůsobila PROFINET na TSN. Veškeré hlavní výrobní společnosti síťových komponent již začaly vyvíjet nebo alespoň oznámily, že budou vyvíjet hardwarové komponenty s mechanismy TSN. Výrobce zařízení to vede k mnoha různým možnostem hardwarových návrhů jejich zařízení.
Bude potřeba OPC UA a PROFINET v budoucnu?
Ano. OPC UA a PROFINET jsou protokoly, které používá model ISO-OSI ve vrstvách 5 až 7. OPC UA i PROFINET budou používat TSN jako základní technologii vrstvy 2. OPC UA má své silné stránky ve vertikální komunikaci a propojování strojů na úroveň řízení, zatímco PROFINET splňuje všechny požadavky v úrovni pole.
Proto strategie společnosti Siemens zůstává stejná:
- Řídicí úroveň a vyšší = OPC UA
- Úroveň pole = PROFINET
Co znamená OPC UA?
OPC Unified Architecture (OPC UA) je standard výměny dat pro bezpečnou, spolehlivou, průmyslovou komunikaci nezávislou na výrobci a na platformě. OPC UA je ideální a vhodný pro výměnu dat mezi různými operačními systémy mezi aplikacemi od mnoha různých výrobců automatizačních komponent a byl definován zejména pro vertikální komunikaci. OPC UA je k dispozici ve dvou verzích - klient / server a PubSub (publikovat / přihlásit).
- OPC UA komunikace mezi klientem a serverem je druh komunikace typu bod-bod, ve které je klientovi poskytnut přístup k datům serveru. Je vždy založen na TCP / IP komunikaci, a proto nikdy nemůže být schoplný pracovat v reálném čase.
- U metody PubCub OPC UA to zahrnuje komunikaci „jeden k mnoha“. Jeden vydavatel poskytuje data, která pak mohou být přijímána libovolným počtem účastníků v síti. Komunikace OPC UA PubSub může být přinášena prostřednictvím různých protokolů (např. UDP), v závislosti na požadavcích na výkon.
Které aplikace jsou realizovány s OPC UA PubSub založené na TSN?
OPC UA vznikl ve vertikální komunikaci a nyní se etabloval i v oblasti pro komunikaci M2M. Potřeba komunikace v reálném čase na řídicí úrovni by měla být v zásadě omezena na komunikaci mezi jednotlivými kontrolery. Z technických důvodů lze s TSN kombinovat pouze metodu OPC UA PubSub. Přístupy klient / server přirozeně také běží přes síť založenou na Ethernetu s mechanismy TSN (tzv. síť TSN), ale protože jsou založeny na TCP / IP, nelze je posílat v chráněných tocích v reálném čase a chráněných šířkou pásma.
Co je nový standard TSN standard IEC/IEEE 60802?
Nový standard IEC / IEEE 60802 je projektem IEC SC65C / MT9 a IEEE 802, kdy odborníci na standardní Ethernet a odborníci aplikačních protokolů uvedených výše úzce spolupracují. Tento standard bude definovat profil TSN pro průmyslovou automatizaci, ve kterém budou moci být vybrány některé funkce, konfigurační modely s příslušnými protokoly a možnostmi z široké škály. Toto je jediný způsob, jak dosáhnout konvergentní sítě, tj. kdy různé protokoly používají stejnou síť. V budoucnu musí být všechny komponenty pro TSN sítě standardizovány podle IEC / IEEE 60802 (TSN-IA). Specifikace vychází z odpovídajících případů použití., První oficiální verze se očekává v roce 2022.
Přímá cesta k TSN: PROFINET a OPC UA
TSN sjednocuje stávající standardy IEEE, které ovlivňují výlučně komunikační vrstvu 2 ISO / OSI modelu. TSN není komunikační protokol. Jedná se spíše o základní technologie, které v následujících letech mohou použít PROFINET i OPC UA jako „turbo power“.
Praktická ukázka z diskrétních průmyslových odvětví
Když stroje komunikují pomocí TSN – Siemens představuje, jak to funguje
Jak může v praxi vypadat komunikace M2M s TSN? Společnost Siemens vždy uvažuje nad rámec teorie, a proto navrhla svůj veletržní model, který toto řešení v praxi dokáže představit pomocí dvou robotů se synchronizovanými pohyby. Každý z robotů komunikuje s řídicí jednotkou SIMATIC přes PROFINET. Oba regulátory jsou synchronizovány prostřednictvím OPC UA PubSub (publikovat / přihlásit) na základě TSN. Díky rezervaci šířky pásma je přenos dat v síti TSN přesně předvídatelný a nezávislý na zatížení.
Pro ukázku, jak lze TSN komunikaci a standardní ethernetovou komunikaci použít ve stejné síti, jsou data v modelu přenášena také z řídicí jednotky do cloudu – jako MindSphere – prostřednictvím komunikačního procesoru.
Průmyslová bezpečnost
Bezpečnostní informace
Pro zabezpečení výrobních závodů, výrobních linek a technologických strojů a zařízení proti kybernetickým hrozbám je nutné realizovat a průběžně udržovat komplexní koncepci průmyslového zabezpečení. Produkty a řešení společnosti Siemens tvoří významnou část tohoto konceptu.
Další informace o průmyslovém zabezpečení naleznete na siemens.com/industrial-security
