Ganz klar: TSN – der Turbo für PROFINET und OPC UA

Time-Sensitive Networking ganz klar: Siemens macht es vor.

Time-Sensitive Networking – ganz klar: unser Bekenntnis für die 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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Matthias Gärtner
TSN FAQ 9 I Matthias Gärtner, Produktmanager im Bereich Digital Factory, Factory Automation De, 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 TSN?

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

Wird TSN zukünftig PROFINET ersetzen?

TSN allein wird PROFINET nie ersetzen können, da es sich bei TSN um eine Basistechnologie handelt auf die Kommunikationsprotokolle aufsetzen können.

 

Die PI (PROFINET International) arbeitet schon jetzt daran, PROFINET neben RT und IRT auch basierend auf TSN zu nutzen.

TSN standardisiert die Echtzeitmechanismen auf Layer 2, die bei den heutigen Ethernet-basierten Feldbussystemen, wie z.B. PROFINET mit IRT, typischerweise über Spezial-Hardware gelöst wurden. Protokolle, die basierend auf TSN laufen werden also künftig mit über die IEEE standardisierte Hardware ablaufen können, sogar für taktsynchrone Anwendungen. Somit bietet PROFINET mit TSN die schon heute aus PROFINET mit IRT bekannten Vorteile (zeitliche Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Bandbreitenreservierung, Diagnose) jedoch auf Basis einer Standard Hardware.

 

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

 

Übrigens: PROFINET basierend auf TSN adressiert nicht nur die IRT-Applikationen (taktsynchrone Motion Control Anwendungen) sondern auch den mit RT adressierten Applikationsbereich.

Was bedeutet Konvergenz im Zusammenhang mit TSN?

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

 

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

Was ist der Vorteil von Ethernet mit TSN gegenüber dem Ethernet von heute?

Ethernet mit TSN erweitert die bestehenden Ethernet-Mechanismen im Wesentlichen um die Themen „Quality of Service“ (QoS), z.B. Bandbreitenreservierung, sowie Synchronisation, geringe Latenzzeiten und sogar stoßfreie Redundanz.

 

Die Applikationen melden ihren Kommunikationsbedarf am Netzwerk an und bekommen den angeforderten QoS vom Netzwerk zugesichert. Die jeweiligen Verbindungen laufen in sogenannten Streams, die über die Ressourcenallokation in den Speichern der Ethernet Switches Bandbreitenschutz genießen. Prinzipiell kann jeder dieser Streams echtzeitfähig werden. Aufgrund der abgekapselten Streams ist es bei TSN zudem möglich, mehrere echtzeitfähige Protokolle in einem einzigen Netzwerk parallel zueinander zu betreiben (Netzwerk-Konvergenz). Das ist ein fundamentaler Unterschied zu heutigen Ethernet-basierten Echtzeitprotokollen, bei denen das Netzwerk nur ein einziges echtzeitfähiges Protokoll zulässt.

Werden für TSN spezielle Ethernet-Prozessoren benötigt oder funktionieren auch heutige Standard Ethernet-Komponenten?

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

Benötige ich in Zukunft OPC UA und PROFINET?

Ja. OPC UA und PROFINET sind beides Protokolle, die im ISO-OSI-Modell in den Layer 5-7 angesiedelt sind. Sowohl OPC UA als auch PROFINET werden TSN als Basistechnologie des Layer 2 nutzen. 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 
  • Feldebene = PROFINET

Was versteht man unter OPC UA?

OPC Unified Architecture (OPC UA) ist der Datenaustausch-Standard für eine sichere, zuverlässige, Hersteller- und Plattform-unabhängige industrielle Kommunikation. 

 

OPC UA eignet sich sehr gut für einen Betriebssystem-übergreifenden Datenaustausch zwischen Anwendungen unterschiedlichster Hersteller in der Automatisierungstechnik und wurde für die vertikale Kommunikation definiert.

 

OPC UA beinhaltet zwei Ausprägungen – Client/Server und PubSub (Publish/Subscribe) .

 

  • Die OPC UA Client/Server-Kommunikation ist eine Art der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation bei dem ein Client Zugriff auf die Daten eines Servers erhält. Sie basiert immer auf TCP/IP und kann damit nie echtzeitfähig werden.
  • Bei der OPC UA PubSub-Methode handelt es sich um eine „One-to-many“ Kommunikation. Ein Publisher stellt somit Daten zur Verfügung die dann von beliebig vielen Subscribern im Netzwerk empfangen werden können. Die OPC UA PubSub-Kommunikation kann über verschiedene Protokolle (z.B. UDP) eingespeist werden je nach Anforderung an die Performance.

Welche Anwendungen werden mit OPC UA PubSub basierend auf TSN realisiert?

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. OPC UA 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.

Was beinhaltet der neue TSN-Standard IEC/IEEE 60802?

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 basierend auf TSN

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) basierend auf 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

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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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Die Weiterentwicklung industrieller Netzwerke bleibt nicht stehen. Wie geht Siemens dabei mit TSN um? Wie werden Sie und die beiden Toptechnologien OPC UA und PROFINET von Time-Sensitive Networking profitieren? Und wie optimieren Sie Ihr Netzwerk mit TSN? Bei all diesen Fragen und noch mehr helfen Ihnen unsere Experten gerne weiter.

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