Erklärvideo der TSN-Technologie
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Was versteht man unter Time-Sensitive Networking?

Time-Sensitive Networking ist ein Set von Standards, das die Echtzeiteigenschaften von heutigen Ethernet-Netzwerken verbessern soll. Es handelt sich also um mehrere Einzelstandards, die aktuell in der TSN Task Group der Standardisierungsorganisation IEEE 802.1 definiert werden.

Ethernet TSN ist jedoch kein eigenständiges Kommunikationsprotokoll, sondern definiert Funktionen. Diese Funktionen können wiederum von unterschiedlichen Protokollen wie OPC UA oder PROFINET genutzt werden.

Video: TSN ermöglicht eine Konvergenz von IT und OT

TSN ermöglicht eine Konvergenz von IT und OT

Vorteile und Eigenschaften des neuen TSN-Standards

Die Datenübertragung echtzeitkritischer Anwendungen (z. B. schnelle Regelungen, Signalerfassung in Energienetzen oder Motion Control) und datenintensiver Applikationen (z. B. Videostreams oder IT-Systeme) wird heutzutage in getrennten Netzwerken realisiert, um eine gegenseitige Beeinflussung zu verhindern. Die zunehmende Flexibilisierung und Digitalisierung von Arbeitsprozessen erfordern jedoch eine zunehmende Verschmelzung von IT und OT und somit eine Zusammenführung der bisher getrennten Systeme.

Durch die Erweiterung und Anpassung bestehender Ethernet-Standards schafft TSN eine Konvergenz zwischen Informationstechnologie (IT) und der industriellen Betriebstechnik (OT) in industriellen Netzwerken. So können sowohl echtzeitkritische Daten als auch datenintensive Applikationen (z. B. Videostreams) über eine gemeinsame Ethernet-Leitung realisiert werden, ohne sich gegenseitig zu stören.

Funktionsweise der TSN-Technologie

TSN basiert auf drei Kernmechanismen, die in verschiedenen Standards definiert werden.

Interaktive Image Map: Drei Kernmechanismen der Netzwerkkonvergenz
Zeitsynchronisierung
Bei der Zeitsynchronisierung werden die Uhren aller teilnehmenden Geräte festgelegt und auf den Zyklus der Steuerung synchronisiert, um Sender und Applikation im Netzwerk aufeinander abzustimmen (Standard IEEE 802.1AS-2019: Time & Cycle Synchronisation).
Scheduling und Traffic Shaping
Steuerung des echtzeitkritischen und nicht echtzeitkritischen Datenaufkommens mit Hilfe von Scheduling und Traffic Shaping. Dabei arbeiten alle beteiligten Geräte nach den gleichen Regeln (Standard IEEE 802.1Q-2018 mit Ergänzungen zu Scheduled Traffic, Frame Preemption und Streams).
Auswahl von Kommunikationspfaden, Reservierung der verfügbaren Bandbreite und Fehlertoleranz
Die Auswahl von Kommunikationspfaden, Reservierung der verfügbaren Bandbreite und Fehlertoleranz erfolgt nach den gleichen Regeln für alle teilnehmenden Geräte (Standards IEEE 802.1Q-2018 und 802.1CB: Seamless Redundancy).

Sämtliche echtzeitkritische Kommunikation im Netzwerk wird dazu in sogenannten Streams organisiert, denen je nach Bedarf und Priorisierung des jeweiligen Datenpakets ein bestimmter Quality-of-Service (Bandbreite, Latenz etc.) zur Verfügung steht. Streams müssen vor der Benutzung reserviert werden, damit die verfügbare Bandbreite in Relation zu anderen Streams geprüft werden kann. Eine Netzwerk-Management-Engine, auch Centralized Network Controller oder CNC genannt, (z. B. in der Steuerung) liest die Topologie aus, berechnet die Streams und konfiguriert das Netzwerk entsprechend.

Topologie: TSN-Stream führt vom Talker zum Listener
TSN-Stream führt vom Talker zum Listener
Topologie: Die Netzwerkmanagement-Engine konfiguriert das Netzwerk
Die Netzwerkmanagement-Engine konfiguriert das Netzwerk
Topologie: Konvergentes TSN-Netzwerk mit unterschiedlichen Protokollen
Konvergentes TSN-Netzwerk mit unterschiedlichen Protokollen
Frame Preemption
Frame Preemption
Topologie: Zeitsynchronisierung
Zeitsynchronisierung

PROFINET und OPC UA über TSN

Time-Sensitive Networking ermöglicht eine gleichzeitige Übertragung mehrerer Automatisierungs- und IT-Protokolle in einem konvergenten Netzwerk.

Die am häufigsten diskutierten Protokolle sind dabei PROFINET und OPC UA, aber auch andere Systeme wie z. B. CC-Link IE sind für die Nutzung mit TSN spezifiziert. Damit sich diese Protokolle in einem Netzwerk nicht gegenseitig stören, müssen sie sich auf ein gemeinsames Profil einigen, wie TSN-Mechanismen im Netzwerk genutzt werden. Die Erstellung dieses Profils erfolgt zurzeit übergreifend in einer gemeinsamen Arbeitsgruppe der IEC und IEEE, der IEC/IEEE 60802-IA.

Infografik: Gemeinsames TSN-Profil nach IEC/IEEE 60802 – IA

Gemeinsames TSN-Profil nach IEC/IEEE 60802 – IA

Im PROFINET-Standard ist die Nutzung von TSN-Standards („Streams & Configuration“, „Time & Cycle Synchronisation“ und „Frame Preemption“) bereits ab Version 2.4 spezifiziert. Die entsprechenden IEEE-Standards wurden dabei so eingesetzt, dass die grundlegenden Eigenschaften von PROFINET erhalten bleiben. Dementsprechend werden bereits heute Geräte mit PROFINET TSN-Profil entwickelt und zeitnah auf dem Markt zur Verfügung stehen.

Die Standardisierung bei OPC&nbsp,UA in Kombination mit TSN erfolgt zurzeit in der sogenannten Field Level Communication (FLC)-Initiative der OPC Foundation. Sobald die Standardisierung abgeschlossen ist, werden auch hier entsprechende Geräte entwickelt, die OPC UA PubSub in Verbindung mit TSN unterstützen.

Unser Engagement im Bereich TSN

Phoenix Contact beteiligt sich in allen relevanten Standardisierungsorganisationen wie z. B. der OPC Foundation oder der PI-International und arbeitet aktiv mit an der Implementierung der in der IEC/IEEE-60802 erarbeiteten Standards. Zudem erarbeiten und entwickeln wir hierzu bereits eigene Geräte und Systemlösungen, um ein durchgängiges TSN-Produktportfolio für die industrielle Automatisierung zu bieten. So ermöglichen wir eine durchgängige Vernetzung von IT und OT, aber auch von verschiedenen Sektoren im Sinn der All Electric Society.

Weitere neue Kommunikationstechnologien Durchgängig bis ins Feld kommunizieren

In vielen Gremien und Standardisierungsprojekten entstehen im Moment neue Kommunikationsstandards wie OPC UA, TSN, SPE und 5G. Diese neuen Technologien sind jedoch nicht unabhängig voneinander zu sehen, sondern bilden gemeinsam die Kommunikation der Zukunft.
Als Technologieführer mit mehr als 30 Jahren Erfahrung im Bereich der industriellen Kommunikationstechnik engagiert sich Phoenix Contact in allen wichtigen Standardisierungsgremien. Dort gestalten wir für Sie den neuen, herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard für die Automatisierung mit.

Erfahren Sie auf unseren Seiten mehr über die neuen Standards.