Video TSN-tekniikasta
Mitä Time Sensitive Networkingillä tarkoitetaan? YouTube

Mitä Time Sensitive Networkingillä tarkoitetaan?

Time Sensitive Networking on joukko standardeja, jotka parantavat nykyisten Ethernet-verkkojen reaaliaikaominaisuuksia. Siinä on siis kyse useista yksittäisistä standardeista, jotka IEEE 802.1 -standardointiorganisaation TSN Task Group -ryhmä määrittelee.

Ethernet TSN ei kuitenkaan ole itsenäinen tiedonsiirtoprotokolla, vaan se määrittelee ominaisuudet. Eri protokollat (kuten OPC UA tai PROFINET) voivat puolestaan hyödyntää näitä ominaisuuksia.

Video: TSN yhdistää IT- ja OT-verkkoja

TSN yhdistää IT- ja OT-verkkoja

Uuden TSN-standardin edut ja ominaisuudet

Reaaliaikaisuutta (kuten nopeita säätöjä, energiaverkkojen signaalien keruuta tai liikkeentunnistusta) edellyttävien sovellusten ja tietointensiivisten sovellusten (kuten videostriimi- ja IT-järjestelmien) tiedonsiirto toteutetaan tällä hetkellä erillisissä verkoissa, jotta ne eivät pääse vaikuttamaan toisiinsa haitallisesti. Työprosessien joustavoittamisen ja digitalisoimisen lisääntyminen vaatii kuitenkin IT:n ja OT:n sulauttamista toisiinsa entisestään ja siten tähän asti erillisten järjestelmien yhdistämistä.

Nykyisiä Ethernet-standardeja laajentamalla ja mukauttamalla TSN yhdistää informaatioteknologiaa (IT) ja operatiivista teknologiaa (OT) teollisuusverkoissa. Siten sekä reaaliaikaisuutta edellyttäviä että tietointensiivisiä sovelluksia (kuten videostriimijärjestelmiä) voidaan käyttää saman Ethernet-kaapelin kautta ilman, että ne aiheuttavat keskinäishäiriötä.

TSN-teknologian toimintaperiaate

TSN perustuu kolmeen ydinmekanismiin, jotka määritellään eri standardeissa.

Interaktiivinen kuvakartta: Verkkokonvergenssi
Aikasynkronointi
Aikasynkronoinnissa lähettäjä ja sovellus sovitetaan yhteen verkossa vahvistamalla kaikkien osallistuvien laitteiden kellonajat ja synkronoimalla ne ohjaussykliin (standardi IEEE 802.1AS-2019: Time & Cycle Synchronisation).
Ajoittaminen ja liikenteen rajoittaminen
Reaaliaikaisuutta edellyttävien tietomäärien ja muiden tietomäärien ohjaaminen ajoittamisen ja liikenteen rajoittamisen avulla. Tällöin kaikki osallisena olevat laitteet toimivat samojen sääntöjen (standardin IEEE 802.1Q-2018 ja Scheduled Traffic-, Frame Preemption- ja Streams-täydennysten) mukaan.
Tiedonsiirtoväylien valitseminen, käytettävissä olevan kaistanleveyden varaaminen ja vikasietoisuus
Tiedonsiirtoväylien valitseminen, käytettävissä olevan kaistanleveyden varaaminen ja vikasietoituus tapahtuvat samojen sääntöjen (standardien IEEE 802.1Q-2018 j 802.1CB: Seamless Redundancy) mukaan kaikille osallisena oleville laitteille.

Kaikki reaaliaikaisuutta edellyttävä tiedonsiirto järjestetään verkossa niin sanottuihin striimeihin, joiden käytettävissä on kulloisenkin datapaketin tarpeen ja priorisoinnin mukaan tietty palvelunlaatu (quality of service), kuten kaistanleveys ja viive. Striimit on varattava ennen käyttöä, jotta käytettävissä oleva kaistanleveys voidaan tarkistaa suhteessa muihin striimeihin. Verkonhallintamoduuli, tunnetaan myös nimellä Centralized Network Controller tai CNC, (esimerkiksi ohjauksessa) lukee topologian, määrittää striimit ja konfiguroi verkon asianmukaisesti.

Topologia: TSN-striimi kulkee puhujasta (talker) kuuntelijaan (listener)
TSN-striimi kulkee puhujasta (talker) kuuntelijaan (listener)
Topologia: Verkonhallintamoduuli konfiguroi verkon
Verkonhallintamoduuli konfiguroi verkon
Topologia: Yhdistyvä TSN-verkko eri protokollilla
Yhdistyvä TSN-verkko eri protokollilla
Frame Preemption
Frame Preemption
Topologia: Aikasynkronointi
Aikasynkronointi

PROFINET ja OPC UA TSN-verkossa

Time Sensitive Networking mahdollistaa useiden automaatio- ja IT-protokollien siirron samanaikaisesti yhdessä yhdistyvässä verkossa.

Tässä yhteydessä usein mainittuja protokollia ovat PROFINET ja OPC UA, mutta TSN-tekniikan kanssa käyttöä varten on määritetty myös muita järjestelmiä, kuten CC-Link IE. Jotta nämä protokollat eivät aiheuta häiriöitä toisilleen samassa verkossa, niiden on sovittava yhteisestä profiilista eli siitä, miten TSN-mekanismeja käytetään verkossa. IEC- ja IEEE-standardien yhteinen työryhmä (IEC/IEEE 60802-IA) tekee parhaillaan töitä tämän profiilin määrittämiseksi.

Infografiikka: yhteinen TSN-profiili IEC/IEEE 60802 -standardin mukaan – IA

Yhteinen TSN-profiili IEC/IEEE 60802 -standardin mukaan – IA

PROFINET-standardissa on määritetty TSN-standardien ("Streams & Configuration", "Time & Cycle Synchronisation´" ja "Frame Preemption") käyttö jo 2.4-versiosta alkaen. Vastaavat IEEE-standardit otettiin käyttöön siten, että PROFINETin keskeisimmät ominaisuudet säilyivät. Jo nyt kehitetään PROFINET TSN -profiilin sisältäviä laitteita, joita on pian saatavilla markkinoilla.

OPC UA -protokollan standardointia TSN-tekniikan kanssa tehdään tällä hetkellä OPC Foundationin Field Level Communication (FLC) -aloitteen pohjalta. Kun standardointi on valmis, ryhdytään myös kehittämään laitteita, jotka tukevat OPC UA PubSub -tiedonsiirtoa TSN-tekniikan kanssa.

Panotuksemme TSN-tekniikkaan

Phoenix Contact on jäsenenä kaikissa tärkeissä standardointiorganisaatioissa, kuten OPC Foundationissa ja PI-Internationalissa, ja toimii aktiivisesti IEC/IEEE-60802-standardointikomiteassa käsiteltävien standardien käyttöönoton parissa. Lisäksi suunnittelemme ja kehitämme jo omia laitteita ja järjestelmäratkaisuja, jotta voimme tarjota kattavan TSN-tuotevalikoiman teollisuudeen automatisointiin. Näin edistämme IT- ja OT-verkkojen yhdistämisen lisäksi myös eri sektorien verkottamista All Electric Society -vision hengessä.

Muut uudet tiedonsiirtotekniikat Yhtenäinen tiedonsiirto kentälle asti

Tällä hetkellä useissa toimikunnissa ja standardisointihankkeissa kehitetään uusia tiedonsiirtostandardeja, kuten OPC, UA, TSN, SPE ja 5G. Näitä uusia teknologioita ei kuitenkaan tule nähdä toisistaan riippumattomina, vaan ne yhdessä muodostavat tulevaisuuden tiedonsiirron.
Phoenix Contactilla on teknologiajohtajana yli 30 vuoden kokemus teollisuuden tiedonsiirtotekniikan alalta, ja se on mukana kaikissa tärkeissä standardointikomiteoissa. Niissä suunnittelemme sinulle uutta, eri valmistajille sopivaa automaation tiedonsiirtostandardia.

Lue sivustoltamme lisää uusista standardeista.