TSN – der Turbo für PROFINET und OPC UA

Time-Sensitive Networking – ganz klar: unser Bekenntnis zur Digitalisierung

Die Digitalisierung legt die Messlatte hoch für die industrielle Kommunikation. Siemens setzt hierfür bereits auf den sich rasant ausbreitenden offenen Kommunikationsstandard Industrial Ethernet – mit PROFINET auf Feldebene und OPC UA ab der Steuerungsebene. Aber Siemens geht dabei noch einen Schritt weiter: mit dem Ethernet-basierten Standard TSN (Time-Sensitive Networking) für reservierte Bandbreiten, Quality of Service (QoS)-Mechanismen, eine geringe Übertragungslatenz und gleichzeitige Übertragung mehrerer Protokolle, die auch echtzeitfähig sein können, in industriellen Netzwerken.

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TSN FAQ 9 I Matthias Gärtner, Produktmanager im Bereich Digital Factory, Factory Automation, Siemens

Spezifikation "PROFINET über TSN" fertiggestellt

Die PROFINET-Spezifikation 2.4 wurde fertiggestellt und kann von allen PI-Mitgliedern heruntergeladen werden. Diese Spezifikation umfasst erstmals TSN-Fähigkeiten (Time-Sensitive Networking) im PROFINET-Standard. Die Veröffentlichung konnte mit der Freigabe der PROFINET-Spezifikation 2.4 durch die PNO erfolgen. Natürlich umfasst die Spezifikation 2.4 auch alle Details zu PROFINET, die nicht zu TSN gehören – wie immer bleibt PROFINET mit allen Vorgängerversionen kompatibel.

Erfahrungen, die durch den Einsatz von PROFINET über TSN im Feld sowie die gemeinsamen Aktivitäten zur Standardisierung von IEC/IEEE 60802 (konvergentes TSN-Netzwerk) gewonnenen werden, fließen sukzessive in den Standard ein. 

 

Mehr Informationen finden Sie auf der PI-Webseite.

 

(Weitere FAQs zu TSN folgen. Die bereits veröffentlichten FAQs finden Sie im Abschnitt "Was ist TSN?" weiter unten auf der Seite.)

Was ist Time-Sensitive Networking (TSN)?

Ganz klar der Weg in die Zukunft: PROFINET und OPC UA über TSN.

Die zunehmende Digitalisierung von Produktionsprozessen verlangt nach immer höherer Offenheit, Robustheit, Deterministik und Flexibilität der industriellen Kommunikation: Nur eine Produktion, die hochgradig agil kommuniziert und reagiert, kann eine schnelle und zuverlässige Fertigung individueller Produkte sicherstellen und auch zeitlich enge Lieferpläne erfüllen.

Ganz klar ein großer Schritt hin zur Digitalisierung

Während industrielle Steuerungssysteme auf eine Kommunikation in Echtzeit angewiesen sind, steht bei IT-Systemen der offene Zugang zu den Daten im Vordergrund. Die darauf begründete Trennung dieser Netzwerke in Unternehmen muss nun mit der zunehmenden Digitalisierung im Blick durch eine offene, durchgängige Vernetzung ersetzt werden, um eine flexible und deterministische Produktion zu ermöglichen. Mit TSN (Time-Sensitive Networking) wird dafür im Rahmen der IEEE 802.1 eine standardisierte Basistechnologie für garantierte Quality of Service und erhöhte Anforderungen im Ethernet geschaffen. TSN setzt sich aus einer Reihe von Einzel-Standards zusammen, die ausschließlich den OSI-Layer 2 der Kommunikation betreffen. Dadurch bleibt die Anwenderschnittstelle auch mit TSN unverändert.

Von der Automobilindustrie über den Maschinenbau bis hin zur Nahrungs- und Genussmittelindustrie – TSN bietet entscheidende Vorteile für die industrielle Produktion wie z.B. reservierte Bandbreiten, Quality of Service (QoS)-Mechanismen, eine geringe Übertragungslatenz und die gleichzeitige Übertragung mehrerer Protokolle – auch echtzeitfähiger. Um damit den Wandel der industriellen Netzwerke für die Digitalisierung mitzugestalten, setzt Siemens zukünftig auf TSN – von der Feldebene über die Kommunikation von Maschine zu Maschine (M2M) auf Steuerungsebene bis hin zur Bedienerebene.

Gemeinsam die Entwicklung vorantreiben

Für TSN ist bereits ein vielversprechender Anfang gelungen, dem nun zur weiteren Entwicklung die Erprobung von TSN im Labs Network Industrie 4.0 (LNI4.0) folgt. Unter LNI4.0 werden Testumgebungen und -installationen in Deutschland für Industrie 4.0 miteinander vernetzt. Siemens gehört zu den Gründungsmitgliedern von LNI 4.0. Gemeinsam mit verschiedensten Industrieunternehmen setzt Siemens hier nun alles daran, um die Interoperabilität auf TSN-Basis zwischen verschiedenen Herstellern zu testen und im Testbed das Potenzial von TSN für die M2M-Kommunikation und die Vernetzung von Maschinen bis hin zur Cloud zu erforschen. Bei Bedarf werden die gewonnenen Erkenntnisse den Standardisierungsgremien zur Verfügung gestellt, um in die Weiterentwicklung einzufließen.

Häufig gestellte Fragen über Time-Sensitive Networking (TSN)

TSN steht für „Time-Sensitive Networking“. Dabei handelt es sich um verschiedene Standards für die Übertragung von Daten in Ethernet-Netzen. Sie werden derzeit im Rahmen von der Standardisierungsorganisation für Ethernet-basierte Kommunikation IEEE 802.1 definiert.
TSN setzt sich aus einer Reihe von Einzelstandards zusammen, die überwiegend die Sicherungsschicht (Layer 2 des ISO-OSI Modells) der Kommunikation erweitern. Damit ist TSN kein vollständiges Kommunikationsprotokoll, sondern eine Basistechnologie, die von übergeordneten Applikationen genutzt werden kann. Höhere Protokolle, wie PROFINET oder OPC UA sind auf den Layern 5-7 des ISO-OSI-Modells angesiedelt und bleiben unverändert.

Ethernet mit TSN erweitert die bestehenden Mechanismen von Ethernet im Wesentlichen um die Themen „Quality of Service“ (z.B. Bandbreitenreservierung), Zeitsynchronisation sowie geringe Latenzzeiten und sogar stoßfreie Redundanz.
Die Applikationen melden ihren Kommunikationsbedarf am Netzwerk an und bekommen den jeweiligen angeforderten QoS vom Netzwerk zugesichert. Die jeweiligen Verbindungen laufen dann in sogenannten Streams, die über die Ressourcenallokation in den Speichern der Switches dann Bandbreitenschutz genießen.

Prinzipiell kann jedem dieser Streams eine Echtzeitfähigkeit verliehen werden. Aufgrund der abgekapselten Streams ist es zudem bei TSN möglich, dass mehrere echtzeitfähige Protokolle in einem einzigen Netzwerk parallel zueinander betrieben werden können. Dies bezeichnet man auch als sog. Netzwerk-Konvergenz. Das ist ein fundamentaler Unterschied zu heutigen Ethernet-basierten Echtzeitprotokollen, wie z.B. PROFINET, bei denen das Netzwerk nur PROFINET als einziges echtzeitfähiges Protokoll (neben TCP/IP basiertem Traffic) zulässt.

Nein.
PROFINET läuft im ISO-OSI Modell auf der Anwenderschicht 7 und bietet unabhängig von der physikalischen Transportschicht (Layer 2) Mechanismen für die Konfiguration und Diagnose der Komponenten. PROFINET setzt von Anfang an auf IEEE-Standards. Da auch TSN im Rahmen der IEEE standardisiert wird, erweitert dies die Möglichkeiten von PROFINET innerhalb eines TSN-Netzwerks auf Layer 2.

 

PROFINET bietet für die Automatisierung notwendige Dienste wie zyklische und azyklische Daten, Alarme/Diagnosen, Parametrierung, etc. IEEE-Mechanismen wie TSN alleine können diese nicht ersetzen.
TSN ist also keine Konkurrenz zu PROFINET, sondern beschreibt IEEE-Basismechanismen, die Kommunikationsprotokolle wie PROFINET oder OPC UA nutzen können.

 

Selbstverständlich werden die RT und IRT-Mechanismen weiterhin Bestandteil der PROFINET-Spezifikation bleiben und von PROFINET-Innovationen profieren.

In einem „konvergenten Netzwerk“ können Daten unterschiedlicher Applikationen gleichzeitig auf einer Leitung übertragen werden. 

 

So können z.B. Echtzeitdaten über OPC UA über TSN, Cloud-Daten basierend auf MQTT, Video-Daten und weitere industrielle echtzeitfähige Protokolle wie PROFINET über TSN parallel übertragen werden. 

Für TSN wird ein „TSN-fähiger“ Hardware-Baustein benötigt; die heute verbauten Ethernet-Bausteine können in der Regel nicht durch Software um TSN Funktionialität erweitert werden.

Jedoch ist abzusehen, dass in Zukunft der „Standard Ethernet-Baustein“ ein TSN-fähiger Ethernet-Baustein sein wird. Das ist der Hauptmotivator für Siemens, PROFINET auf TSN aufzusetzen. Alle namhaften Bausteinhersteller haben bereits begonnen oder zumindest angekündigt Hardware-Bausteine mit TSN-Mechanismen zu entwickeln. Damit entstehen für Gerätebauer mannigfaltige Möglichkeiten für ihre verschiedenen Hardware-Designs der Geräte.

TSN unterstützt als Kommunikationstechnologie nur die unterlagerten Layer-2-Mechanismen. Für den zuverlässigen Austausch von Nutzdaten sind darüber hinaus Protokolle wie PROFINET oder OPC UA erforderlich. Diese Protokolle übernehmen zum Beispiel die Transportsicherung.

OPC Unified Architecture (OPC UA) ist der Datenaustausch-Standard für eine sichere, zuverlässige, Hersteller- und Plattform-unabhängige industrielle Kommunikation. Dieser ermöglicht den Betriebssystem-übergreifenden Datenaustausch zwischen Produkten unterschiedlicher Hersteller.

Die Stärke von OPC UA beruht auf einem leistungsfähigen, objektorientierten Informationsmodell, welches remote „gebrowsed“ werden kann sowie auf einer Service-orientierten Architektur (SoA) über die Bereitstellung vieler verschiedener Services wie z.B. Data Access, Alarms&Conditions, Methoden, Historian, usw. OPC UA ist also weit mehr als „nur“ ein Protokoll und damit sehr gut für den Datenaustausch zwischen Anwendungen unterschiedlichster Hersteller in der Automatisierungstechnik geeignet. OPC wurde für die vertikale Kommunikation definiert und nicht für IO-Kommunikation.

OPC UA ist DER industrielle Interoperabilitätsstandard und bietet viele Vorteile für die Industrie wie:

  • Plattformunabhängigkeit – vom eingebetteten Mikrocontroller bis zur Cloud-basierten Infrastruktur
  • Integrierte Sicherheit – Verschlüsselung, Authentifizierung und Überwachung
  • Umfassende Informationsmodellierung – Definition komplexer Informationen (z.B. Companion Specs wie PackML)
  • Funktionale Sicherheit – basierend auf bewährten PROFIsafe-Mechanismen

Ja, denn OPC UA hat seine Stärken in der vertikalen Kommunikation und bei der Vernetzung von Maschinen auf Steuerungsebene, während PROFINET im Feldbereich alle Anforderungen erfüllt.
Deshalb lautet auch die Strategie bei Siemens:

  • Steuerungsebene und darüber = OPC UA, auch mit Safety möglich
  • Feldebene = PROFINET

Das ursprüngliche OPC basierte auf dem Microsoft Windows Mechanismus OLE (Object Linking and Embedding) mit DCOM.
OPC UA (Unified Architecture) wurde entwickelt, um plattformübergreifend, unabhängig von Windows eingesetzt zu werden. Es basiert auf Standard Ethernet-Mechanismen.

OPC UA hat seinen Ursprung in der vertikalen Kommunikation und etabliert sich gerade im Markt zusätzlich auch für die M2M-Kommunikation.  

 

Der Bedarf an echtzeitfähiger Kommunikation auf Controllerebene dürfte sich im Wesentlichen auf die Controller-to-Controller-Kommunikation beschränken. Hierbei kann aus technischen Gründen nur das OPC UA PubSub-Verfahren mit TSN kombiniert werden. Client/Server-Zugriffe laufen selbstverständlich auch über das Ethernet-basierte Netzwerk mit TSN-Mechanismen (ein sogenanntes TSN-Netzwerk), können aber – da TCP/IP-basierend – nicht in echtzeitfähige und bandbreitengeschützte Streams abgebildet werden.

Die Stärken von PROFINET liegen auf der Feldebene. PROFINET wird mittelfristig ebenfalls auf die TSN-Mechanismen abgebildet und damit 100% IEEE-konform sein – selbst bei taktsynchronen Anwendungen.

Der kommende Standard IEC/IEEE 60802 ist ein gemeinsames Projekt von IEC SC65C/MT9 und IEEE 802, hier arbeiten also Experten von Standard-Ethernet und den darüberliegenden Applikationsprotokollen eng zusammen.  Dieser Standard wird ein TSN Profil für die industrielle Automation definieren, in dem aus den vielfältigen Möglichkeiten bestimmte Funktionen, Konfigurationsmodelle mit den zugehörigen Protokollen und Optionen ausgewählt werden. Nur so ist ein konvergentes Netzwerk, d. h. verschiedene Protokolle nutzen das gleiche Netzwerk, möglich.

 

Zukünftig müssen alle Komponenten für den Aufbau eines TSN-Netzwerks nach IEC/IEEE 60802 (TSN-IA) standardisiert sein. Basis der Spezifikation sind entsprechende Usecases, eine erste offizielle Version wird für 2022 erwartet.

Sehen Sie sich auf YouTube das Video zur TSN-Echtzeitkommunikation an:

Video ansehen: PROFINET über TSN

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TSN in Anwendung

Ganz klar auf dem Weg zu TSN: PROFINET und OPCUA

TSN vereint bestehende IEEE-Standards, die weitestgehend den OSI-Layer 2 der Kommunikation betreffen. Damit ist TSN kein Kommunikationsprotokoll, sondern eine Basistechnologie, die sowohl von PROFINET als auch von OPC UA in den kommenden Jahren als eine Art „Turbo“ genutzt werden kann.

Ein beispielhaftes Modell aus der diskreten Industrie

Wenn Maschinen sich über TSN verständigen – Siemens zeigt, wie es geht

Wie kann eine M2M-Kommunikation mit TSN in der Praxis aussehen? Weil alle Theorie grau ist, nutzt Siemens ein Messemodell mit zwei sich synchron bewegenden Robotern, um dies anschaulich zu zeigen. Beide Roboter kommunizieren dabei jeweils über PROFINET mit einer SIMATIC Steuerung. Beide Steuerungen werden über OPC UA PubSub (Publish/Subscribe) über TSN synchronisiert. Dank der Bandbreitenreservierung ist die Datenübertragung im TSN-Netzwerk unabhängig von der Auslastung genau vorhersagbar.

 

Zusätzlich werden im Modell Daten über einen Kommunikationsprozessor aus der Steuerung in eine Cloud, z.B. MindSphere, übertragen, um zu demonstrieren, wie TSN-Kommunikation und Standard-Ethernet-Kommunikation im gleichen Netzwerk genutzt werden können.

Downloads, Support, Services

Ganz klar mehr Informationen

Nutzen Sie weitere Informationsquellen, um TSN, den Turbo für Industrial Ethernet mit PROFINET und/oder OPC UA, besser kennenzulernen. Ob Broschüren, Infomaterial, technische Daten, FAQs oder Services – hier werden Sie fündig!

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