Мережі TSN - максимальна потужність для PROFINET і OPC UA

Мережі TSN - максимальна потужність для PROFINET і OPC UA

Синхронізовані у часі мережі (TSN) - наш внесок у цифровізацію

Цифровізація встановлює високі стандарти у галузі промислової комунікації. Компанія Siemens активно використовує відкритий стандарт комунікації, що стрімко розвивається - промисловий Ethernet. На рівні об'єктів застосовується технологія PROFINET, а на рівні управління - OPC UA. Однак Siemens робить новий крок вперед: ми розробляємо промислові мережі з використанням стандарту TSN (мережі, що синхронізуються у часі). Він дозволяє створювати виділені смуги пропуску, використовувати засоби забезпечення якості обслуговування (QoS) і знижувати затримку передачі, а також підтримує паралельний запуск декількох протоколів, включаючи протоколи з підтримкою режиму реального часу.

Дізнайтеся більше про мережі TSN від наших експертів

Контакти

   

Matthias Gärtner
Питання і відповіді стосовно TSN, ч. 3 | Маттіас Гертнер (Matthias Gärtner), продакт-менеджер, «Цифрове виробництво», бізнес-підрозділ «Автоматизація виробництва», Сіменс, Німеччина, 9 – 28.12.2018

Чи будуть нам потрібні технології OPC UA і PROFINET у майбутньому?

Так. OPC UA і PROFINET - це протоколи, що використовується у моделі ISO / OSI на рівнях 5-7. В основу самих стандартів OPC UA і PROFINET покладено базову технологію рівня 2 - TSN.

Переваги OPC UA полягають у підтримці вертикальної комунікації і створення мереж між машинним обладнанням на рівні управління, а PROFINET відповідає всім вимогам для робітників об'єктів. Саме тому стратегія Сіменс залишається незмінною:

Рівень управління і вищий: OPC UA
Рівень об'єктів: PROFINET


Пізніше тут з'являться відповіді на інші питання про TSN.

Більше інформації: PI website.

 

Що таке TSN?

На шляху у майбутнє: PROFINET і OPC UA на основі TSN

Цифровізація охоплює все більше виробничих процесів, у зв'язку з чим системи промислової комунікації повинні стати максимально відкритими, надійними і гнучкими. Гарантувати швидке виготовлення якісної продукції невеликими партіями з дотриманням стислих термінів виробництва можливо, тільки якщо виробничі мережі будуть швидко обмінюватися даними і реагувати на запити.

TSN і цифровізація

Ефективність роботи промислових систем управління залежить від стабільної комунікації в режимі реального часу, а ІТ-системи, в свою чергу, потребують відкритий доступ до даних. У зв'язку з цим компанії зазвичай використовують ці мережі окремо. Але цифровізація набирає обертів, і на зміну такому поділу повинні прийти відкриті комплексні інфраструктури, що дозволяють забезпечити гнучке детерміноване виробництво. TSN (мережі, що синхронізуються за часом) являють собою стандартизовану базову технологію в рамках IEEE 802.1, завдяки якій у середовищі можна розгорнути засоби забезпечення якості обслуговування (QoS). Крім того, вона гарантує відповідність характеристик Вашої мережі все більш зростаючим вимогам Ethernet. TSN включає ряд окремих стандартів, які відносяться виключно до рівня комунікації 2 в моделі OSI. Це означає, що навіть при впровадженні TSN призначений для користувача інтерфейс залишається незмінним.

 

Незалежно від сфери роботи промислової компанії (автомобільна промисловість, машинобудування, харчова промисловість) стандарт TSN забезпечить суттєві переваги. Серед них можливість створювати виділені смуги пропускання, використовувати засоби забезпечення якості обслуговування (QoS) і знижувати затримку передачі, а також підтримка паралельного запуску декількох протоколів, включаючи протоколи з підтримкою режиму реального часу. Компанія Siemens пропонує своїм замовникам рішення на основі TSN, щоб забезпечити цифрову трансформацію їх промислових мереж на всіх рівнях, починаючи з робочих об'єктів та міжмашинних комунікаційних мереж (M2M), завершуючи рівнями управління і оператора.

 

Разом у напрямку прогресу та розвитку

Технологія TSN чудово зарекомендувала себе на ринку. В даний час фахівці Labs Network Industrie 4.0 (LNI4.0) проводять її тестування, щоб визначити наступні кроки для розвитку. Методика LNI4.0 полягає у підключенні один до одного тестових середовищ і інженерних систем в різних регіонах Німеччини для вдосконалення концепції «Індустрія 4.0». Компанія Сіменс входить в число членів-засновників цієї асоціації. Спільно з іншими промисловими підприємствами Сіменс бере активну участь в тестуванні сумісності TSN з інфраструктурами різних постачальників. Компанія також проводить дослідження на стендах, щоб оцінити потенціал TSN для використання в комунікаційних системах M2M і міжмашинних мережах на всіх рівнях аж до хмарного рівня. Отримані знання будуть за необхідності передаватися комітетам зі стандартизації для продовження розробки даної технології.

Frequently asked questions about TSN

Will TSN replace PROFINET in the future?

TSN alone will never be able to replace PROFINET because TSN involves basic technology on which communication protocols can be based.

 

The PI (PROFINET International) is already working on using PROFINET, in addition to RT an IRT, also based on TSN.

TSN standardizes the real-time mechanisms on Layer 2, which, in the current Ethernet-based fieldbus systems such as PROFINET with IRT, have typically been resolved via special hardware. Protocols that run based on TSN will thus be able to run with hardware standardized via the IEEE in the future, even for isochronous applications. In this way, PROFINET with TSN provides the advantages already known from PROFINET with IRT (chronological accuracy, reproducibility, bandwidth reservation, diagnostics), but on the basis of standard hardware.

 

Of course, the RT and IRT mechanisms will remain a component of the PROFINET specification and will continue to benefit from PROFINET innovations.

 

By the way: PROFINET based on TSN does not just address the IRT applications (isochronous motion control applications), but also the application area addressed with RT.

What does convergence mean in regards to TSN?

In a "convergent network" data from various applications can be transferred simultaneously across a single line.

 

This way, real-time data can be transmitted in parallel using OPC UA based on TSN, cloud data based on MQTT, video data and other industrial real-time capable protocols such as PROFINET based on TSN.

What are the benefits of Ethernet with TSN compared with today’s Ethernet?

Basically, Ethernet with TSN supplements the existing Ethernet mechanisms in the areas of Quality of Service (QoS), including bandwidth reservation, as well as synchronization, low latencies, and even seamless redundancy.

 

The applications signal their communication requirements on the network and are guaranteed the requested QoS from the network. The various connections run in streams that enjoy bandwidth protection thanks to resource allocation in the memories of Ethernet switches. Basically, each of these streams can become real time-capable. As a result of these encapsulated streams, TSN also makes it possible to run multiple real time-capable protocols simultaneously in a single network (network convergence). This is fundamentally different from today’s Ethernet-based real-time protocols where the network only allows one real time-capable protocol.

Will TSN require special Ethernet processors or will the current standard Ethernet components also function?

A "TSN-capable" hardware block is needed for TSN; the currently installed Ethernet blocks generally cannot be expanded to TSN via software.

 

It is foreseeable, however, that the "standard Ethernet block" will be a TSN-capable Ethernet block in the future. That is the main motivating factor for Siemens to put PROFINET on TSN. All of the major block manufacturers have already begun to develop, or have at least announced that they will develop hardware blocks with TSN mechanisms. For device manufacturers, this results in many possibilities for the various hardware designs of their devices.

Will I need OPC UA and PROFINET in the future?

Yes. OPC UA and PROFINET are protocols which are used by the ISO-OSI model in the layers 5 to 7. Both OPC UA and PROFINET will use TSN as basic technology of layer 2. OPC UA has its strengths in vertical communication and networking of machines at control level, while PROFINET meets all requirements in the field. That's why the strategy at Siemens stays the same:

  • Control level and above = OPC UA 
  • Field level = PROFINET

What does OPC UA mean?

OPC Unified Architecture (OPC UA) is the standard for exchanging data for secure, reliable, manufacturer, and platform-independent industrial communication. 

 

OPC UA is perfectly suited for exchanging data among various operating systems between applications from many diverse automation component manufacturers and has been defined for vertical communication.

 

OPC UA is available in two versions – client/server and PubSub (publish/subscribe).

 

  • OPC UA client/server communication is a kind of point-to-point communication in which a client is given access to the data of a server. It is always based on TCP/IP and can therefore never become real-time capable.
  • With the OPC UA PubSub  method, this involves “one-to-many“ communication. One publisher provides data, which can then be received by any number of subscribers in the network. The OPC UA PubSub communication can be fed in via various protocols (e.g. UDP), depending on performance requirements.

Which applications are implemented with OPC UA PubSub based on TSN?

OPC UA originated in vertical communication and is now becoming established in the market for M2M communication as well.  

 

The need for real-time communication on the controller level should essentially be limited to controller-to-controller communication. For technical reasons, only the OPC UA PubSub method can be combined with TSN. Client/server accesses naturally also run via the Ethernet-based network with TSN mechanisms (a so-called TSN network), but, since they are TCP/IP-based, cannot be mapped in real-time capable and bandwidth-protected streams.

What is the new TSN standard IEC/IEEE 60802?

The upcoming IEC/IEEE 60802 standard is a project of IEC SC65C/MT9 and IEEE 802, so experts from standard Ethernet and the application protocols above work closely together. This standard will define a TSN profile for industrial automation in which certain functions, configuration models with the associated protocols and options can be selected from a wide range of options. This is the only way to achieve a convergent network, i.e. different protocols use the same network.

 

In future, all components for setting up a TSN network must be standardized according to IEC/IEEE 60802 (TSN-IA). The specification is based on corresponding use cases, a first official version is expected in 2022.

Watch the video on TSN real-time communication on YouTube:

Watch video: PROFINET based on TSN

TSN in practice

Straight talk on the path to TSN: PROFINET and OPC UA

TSN unites existing IEEE standards that exclusively affect OSI communication layer 2. TSN isn’t a communication protocol; rather, it’s a basic technology that can be used in the coming years by both PROFINET and OPC UA as a kind of “turbo power.”

A sample model from the discrete industries

When machines communicate via TSN – Siemens demonstrates how it works

How might M2M communication with TSN look like in practice? Going beyond the theoretical, Siemens already has a trade show model that demonstrates this in practice using two robots with synchronized movements. Each of the robots communicates with a SIMATIC controller via PROFINET. Both controllers are synchronized via OPC UA PubSub (publish/subscribe) based on TSN. Thanks to bandwidth reservation, data transmission in the TSN network is precisely predictable, independent of load.

 

To demonstrate how TSN communication and standard Ethernet communication can be used in the same network, data in the model is also transmitted from the controller to a cloud – like MindSphere – via a communication processor.

Downloads, support, services

Straight talk with more information

Take advantage of additional sources of information to learn more about TSN – the turbo power for the Industrial Ethernet – with PROFINET and/or OPC UA. Brochures, informational materials, technical data, FAQs, and services – you’ll find them all here!

Technical Support

Fast, expert support for all your technical queries – even for products that have been discontinued or are no longer available for delivery

SITRAIN – Digital Industry Academy

Further education for all Siemens industrial products - directly from the manufacturer, individually, with the latest methods.

Financial solutions for your success

We provide financial and technological expertise to help you boost your competitiveness

News, media, and events

Straight talk about the latest TSN news

TSN development is picking up speed! Stay up to date with the latest news, media, and events.

Contact

Straight talk: Let us advise you on TSN

The development of industrial networks never stands still. What is Siemens doing with TSN? How will you and the top-two technologies OPC UA and PROFINET benefit from Time-Sensitive Networking? And how can you optimize your network with TSN? Our experts are happy to answer these questions and many more.

Have questions? Our experts are happy to help:

Contact us