Video met uitleg over de TSN-technologie
Wat betekent Time Sensitive Networking? YouTube

Wat betekent Time Sensitive Networking?

Time-Sensitive Networking is een set standaarden die de realtime eigenschappen van hedendaagse Ethernet-netwerken dienen te verbeteren. Het gaat dus om verschillende afzonderlijke standaarden die momenteel in de TSN Task Group van de organisatie voor standaardisering IEEE 802.1 worden gedefinieerd.

Ethernet TSN is echter geen onafhankelijk communicatieprotocol, maar definieert functies. Deze functies kunnen op hun beurt weer worden gebruikt door verschillende protocollen, zoals OPC UA of PROFINET.

Video: TSN maakt convergentie mogelijk van IT en OT

TSN maakt convergentie mogelijk van IT en OT

Voordelen en eigenschappen van de nieuwe TSN-standaard

De datatransmissie van realtime kritieke toepassingen (bijv. snelle regelingen, signaaldetectie in energienetten of Motion Control) en applicaties met veel data (bijv. videostreams of IT-systemen) vindt tegenwoordig plaats in gescheiden netwerken om onderlinge beïnvloeding te voorkomen. De toenemende flexibilisering en digitalisering van werkprocessen vereisen echter een toenemende versmelting van IT en OT en daardoor de samenvoeging van de tot dusver gescheiden systemen.

Door de uitbreiding en aanpassing van bestaande Ethernet-standaarden schept TSN een convergentie tussen informatietechnologie (IT) en de industriële bedrijfstechniek (OT) in industriële netwerken. Zo kunnen zowel realtime-kritieke data als applicaties met veel data (bijv. videostreams) zonder onderlinge verstoringen via een gezamenlijke Ethernet-kabel worden gerealiseerd.

Werking van de TSN-technologie

TSN is gebaseerd op drie kernmechanismen die worden gedefinieerd in verschillende standaarden.

Interactieve beeldkaart: drie kernmechanismen van netwerkconvergentie
Tijdsynchronisatie
Bij tijdsynchronisatie worden de klokken van alle deelnemende apparaten ingesteld en gesynchroniseerd met de cyclus van de controller, zodat de zender en de applicatie in het netwerk op elkaar zijn afgestemd (norm IEEE 802.1AS-2019: Time & Cycle Synchronisation).
Scheduling en Traffic Shaping
Besturing van de realtime-kritieke en niet-realtime-kritieke hoeveelheid data met behulp van Scheduling en Traffic Shaping. Daarbij werken alle deelnemende apparaten volgens dezelfde regels (standaard IEEE 802.1Q-2018 met aanvullingen voor Scheduled Traffic, Frame Preemption en Streams).
Selectie van communicatiepaden, reservering van de beschikbare bandbreedte en fouttolerantie
De selectie van communicatiepaden, reservering van de beschikbare bandbreedte en fouttolerantie vindt volgens dezelfde regels plaats voor alle deelnemende apparaten (standaarden IEEE 802.1Q-2018 en 802.1CB: Seamless Redundancy).

Daarvoor wordt de gehele realtime-kritieke communicatie in het netwerk in zogenaamde streams georganiseerd, waarbij naar behoefte en prioritering van het betreffende datapakket een bepaalde Quality of Service (bandbreedte, latentie, enz.) beschikbaar is. Vóór gebruik moeten streams worden gereserveerd, zodat de beschikbare bandbreedte in relatie tot andere streams kan worden gecontroleerd. Een netwerkmanagement-engine, ook wel Centralized Network Controller of CNC genoemd (bijv. in de besturing) scant de topologie, berekent de streams en configureert het netwerk dienovereenkomstig.

Topologie: TSN-stream loopt van Talker naar Listener
TSN-stream loopt van de Talker naar de Listener (geldt voor PROFINET via TSN)
Topologie: de netwerkmanagement-engine configureert het netwerk
De netwerkmanagement-engine configureert het netwerk (geldt voor PROFINET via TSN)
Topologie: convergent TSN-netwerk met verschillende protocollen
Convergent TSN-netwerk met verschillende protocollen
Frame Preemption
Frame Preemption (geldt voor PROFINET via TSN)
Topologie: tijdsynchronisatie
Tijdsynchronisatie

Protocollen via TSN

Time-Sensitive Networking maakt een gelijktijdige overdracht van verschillende automatiserings- en IT-protocollen in één convergent netwerk mogelijk.

De meest besproken protocollen zijn daarbij PROFINET en OPC UA, maar ook andere systemen, zoals CC-Link IE, zijn voor het gebruik met TSN gespecificeerd. Om te voorkomen dat deze protocollen elkaar in één netwerk onderling storen, moeten deze het over een gezamenlijk profiel eens worden, hoe TSN-mechanismen in het netwerk worden gebruikt. Dit profiel wordt momenteel overkoepelend gemaakt in een gezamenlijke werkgroep van de IEC/IEEE 60802-IA.

Informatiegrafiek: gezamenlijk TSN-profiel volgens IEC/IEEE 60802 – IA

Gezamenlijk TSN-profiel volgens IEC/IEEE 60802 – IA

In de PROFINET-standaard is het gebruik van TSN-standaarden ("Streams & Configuration", "Time & Cycle Synchronisation" en "Frame Preemption") reeds gespecificeerd vanaf versie 2.4. De betreffende IEEE-standaarden zijn daarbij zo toegepast dat de fundamentele eigenschappen van PROFINET blijven behouden. Dienovereenkomstig worden nu al apparaten met het PROFINET TSN-profiel ontwikkeld en deze zullen op tijd op de markt verkrijgbaar zijn.

De standaardisering bij OPC UA in combinatie met TSN vindt momenteel plaats in het zogenoemde Field Level Communication (FLC)-initiatief van de OPC Foundation. Zodra de standaardisering is afgerond, worden ook hier overeenkomstige apparaten ontwikkeld, die OPC UA PubSub in combinatie met TSN ondersteunen.

Onze betrokkenheid op het gebied van TSN

Phoenix Contact neemt deel aan alle relevante standaardiseringsorganisaties, zoals de OPC Foundation of PI-International, en werkt actief mee aan de implementatie van de in IEC/IEEE-60802 uitgewerkte standaarden. Bovendien ontwikkelen wij hiervoor reeds apparatuur en systeemoplossingen om zo een compleet TSN-productenprogramma voor de industriële automatisering te kunnen bieden. Zo maken wij een transparante netwerkkoppeling van IT en OT mogelijk, maar ook van verschillende sectoren in de betekenis van de All Electric Society.

Andere nieuwe communicatietechnologieën Transparant tot in het veld communiceren

In veel commissies en standaardisatieprojecten ontstaan momenteel nieuwe communicatiestandaarden, zoals OPC UA, TSN, SPE en 5G. Deze nieuwe technologieën mogen echter niet onafhankelijk van elkaar worden gezien, want ze vormen samen de communicatie van de toekomst.
Als technologieleider met ruim 30 jaar ervaring op het gebied van industriële communicatietechniek is Phoenix Contact actief in alle belangrijke standaardisatiecommissies. Daar werken wij voor u mee aan de nieuwe, fabrikantoverstijgende communicatiestandaard voor de automatisering.

Lees meer op onze pagina's over de nieuwe standaarden.