TSN (Time-Sensitive Networking)

Основная статья: Промышленная автоматизация (мировой рынок)

2022: Почему TSN-сети не заменят промышленный Ethernet на производствах

Учитывая постоянное развитие сетей TSN, благодаря многочисленным предложениям новых продуктов и способности TSN привносить детерминизм в стандартный Ethernet, в 2022 году встает вопрос - когда промышленные протоколы Ethernet, такие как Profinet, CC-Link IE, EtherNet/IP и EtherCAT будут заменены TSN-сетями. При рассмотрении данного вопроса с точки зрения построения сетей TSN и сетей промышленного Ethernet появляется объяснение, почему такая замена не произойдет.

Общий профиль TSN согласно МЭК/IEEE 60802

Технология TSN обращается к сетевым функциям только на уровне 2 (канал передачи данных) модели взаимодействия открытых систем (OSI) для связи. Следовательно, она отвечает только за передачу данных из одного места в другое детерминированным образом, не смотря на то, что это за данные. То, что необходимо сделать с данными, обычно обрабатывается на более высоких уровнях, отвечающих требованиям приложений. Они управляются промышленными технологиями Ethernet – заявил Томас Берк (Thomas Burke), глобальный стратегический советник CLPA (Ассоциации партнеров CC-Link)

Когда возникает вопрос о том, почему требуется совместное сосуществование технологий TSN и Ethernet, протоколы которого тоже являются детерминированными, специалисты отмечают необходимость обеспечения лучшей конвергентности сетей.

Обычно большинство протоколов промышленного Ethernet не позволяют объединять разные виды трафика в одной сети. TSN добавляет эту недостающую возможность, позволяя нескольким типам трафика совместно использовать одну и ту же сеть при детерминированной обработке — рассказал Берк.

В 2022 году OEM-производителям и конечным пользователям необходимо изучить возможность использования протоколов промышленного Ethernet с поддержкой TSN, чтобы гарантировать, что эти протоколы смогут решать аспекты ввода-вывода, управления движением и безопасности предполагаемого приложения. Например, протокол CC-Link IE TSN использует уровни с 3 по 7 эталонной модели OSI для расширения возможностей TSN уровня 2. Благодаря этому он позволяет детерминистически интегрировать ввод-вывод, управление движением и безопасностью со стандартным трафиком TCP/IP.

2020: TSN - стандарт, который увяжет множество протоколов сетей промышленной автоматизации

Работа над выпуском спецификаций стандарта

Во второй половине 2020 года выпуск спецификации стандарта TSN близится к завершению. Вместе с этим растет интерес к перспективе сближения ИТ и ОТ. Ассоциации промышленных протоколов усиленно дорабатывают свои протоколы для обеспечения совместимости со стандартом TSN в рамках рабочих групп. Ожидается, что чувствительные ко времени сети (TSN), как стандарт, окажут самое большое влияние на промышленные сети с тех пор, как более двух десятилетий назад Ethernet был представлен на производстве.

Цель состоит в том, чтобы обеспечить гармонизированную сеть TSN, не зависящую от протокола, которая избегает различных«разновидностей »в зависимости от используемого протокола говорит Майкл Боун, исполнительный директор Profibus и Profinet в Северной Америке

TSN - это набор стандартов для коммутации, разрабатываемых Институтом инженеров по электротехнике и электронике в рамках группы сетевых стандартов IEEE 802.

TSN обещает сделать стандартный Ethernet способный работать в реальном времени и полностью детерминированным. Если концепция TSN будет успешной, это будет означать устранение сетевых задержек и неопределенности в чувствительных ко времени приложениях за счет временной синхронизации и определения приоритетов потоков данных посредством планирования и координации наилучших каналов связи отметил Кен Остин, старший специалист по маркетингу продуктов Ethernet в Phoenix Contact

Основные ассоциации промышленных протоколов заявили о своей поддержке TSN, а некоторые опубликовали первые концепции того, как их протоколы будут работать с ним. Ассоциации также сотрудничают с поставщиками средств автоматизации для реализации TSN.

Многие существующие протоколы смогут быть совместимыми с TSN с незначительными доработками

В конце 2020 года отрасль промышленной автоматизации находится посреди двухступенчатого процесса: написание базовых стандартов IEEE и разработка профиля для промышленной автоматизации.

TSN - это не что-то одно. Это набор стандартов IEEE, который лучше всего рассматривать как набор инструментов заявил Майкл Боун

Поскольку стандарты IEEE 802 охватывают всю промышленность, каждой отрасли необходимо определить, какие из этих инструментов ей необходимы, и использовать их для определения общего профиля для себя. Чтобы разработать такие профили для промышленной автоматизации, IEEE и Международная электротехническая комиссия (IEC) объединили усилия и работают над совместным профилем под названием IEC / IEEE 60802 TSN Profile для промышленной автоматизации (профиль TSN-IA).

Боун и другие, однако, ожидают, что сети на базе TSN начнут появляться в этой области через несколько лет. Они приводят следующие причины.

Во-первых, необходимо заполнить профиль TSN-IA и доработать последние оставшиеся стандарты IEEE говорит Майкл Боун

Базовая технология TSN, необходимая для мостов, была завершена с выпуском IEEE 802.1AS в этом (2020) году. Предполагая, что он будет внедряться достаточными темпами, ключевым базовым стандартом для взаимодействия приложений будет IEEE 802.1Qdj, Расширение конфигурации для TSN (Configuration Enhancements for TSN), выпуск которого запланирован на 2023 или 2024 год сообщает Пол Брукс, менеджер по развитию технологического бизнеса в Rockwell Automation

Cовместная рабочая группа IEC / IEEE 60802, обсуждающая профиль TSN-IA, должна завершить свою работу в 2021 году. По крайней мере, таковы были ожидания до вспышки COVID-19.

Вторая причина, по которой внедрение TSN займет несколько лет, заключается в том, что после того, как стандарт и профиль будут завершены, производителям микросхем потребуется время для производства микросхем с поддержкой TSN.

В устройствах автоматизации будут использоваться стандартные коммуникационные чипы на основе TSN вместо сегодняшнего специального оборудования Ethernet реального времени поделился Томас Брандл, владелец коммуникационных продуктов в Bosch Rexroth

Третья причина связана с последующими циклами разработки.

Производители устройств автоматизации должны будут использовать эти микросхемы в своих устройствах говорит Майкл Боун

И, наконец, четвертая причина заключается в том, что конечные пользователи должны решить, что они могут установить эти устройства на своих заводах.

Поскольку для этого вам нужен целый рынок устройств, пройдет много времени, прежде чем люди начнут видеть TSN в реальном мире добавляет Майкл Боун

Гармонизация стандартов

Чтобы внедрение не занимало большое количество времени, ассоциации промышленных протоколов уже заняты подготовкой своих стандартов для поддержки TSN.

Спецификация для работы Profinet через TSN была написана, подготовлена, утверждена и опубликована с середины 2019 года сообщил Майкл Боун

Однако работа его организации не завершена. Она разрабатывает процедуры тестирования, которые гарантируют, что устройства соответствуют спецификации. Боун связывает быстрый выпуск спецификаций для работы Profinet с TSN с тем фактом, что многие механизмы, используемые TSN, уже много лет являются частью Profinet. По этой причине он ожидает, что долгосрочное воздействие TSN на сам Profinet будет минимальным.

Фонд OPC Foundation также стремится к гармонизации с TSN, что он делает в рамках инициативы OPC по коммуникациям на полевом уровне (FLC), запущенной 5 ноября 2018 г. Организация рассматривает TSN как возможность для внедрения своего OPC UA (Open Platform Communications with Unified Architecture) на полевом уровне между контроллерами и устройствами, такими как датчики и исполнительные механизмы. TSN позволит OPC UA не только предлагать открытый, стандартизованный и совместимый продукт для большинства промышленных коммуникаций, но и обеспечивать семантическую совместимость «от датчиков к облаку».

Ключевым аспектом инициативы FLC является концепция универсального качества обслуживания (QoS).

OPC UA не определяет свои собственные транспортные протоколы. Вместо этого OPC UA представляет собой промышленную структуру, которую можно легко адаптировать к существующим транспортным уровням в зависимости от различных требований и вариантов использования. Эта структура уже включает механизмы для безопасного, надежного, независимого от производителя и платформы обмена информацией заявляет Питер Лутц, директор инициативы FLC

Он также отмечает, что универсальная концепция моделирования QoS позволяет передавать информацию и сервисы через различные базовые транспортные протоколы и физические среды. Лутц говорит, что его организация определила первые варианты использования и приложения, основанные на модели QoS для взаимодействия контроллера с контроллером (C2C) и контроллера с устройством (C2D) для автоматизации производства и процессов.

C2C и C2D требуют межпроизводственной семантики для управления движением, функциональной безопасности и удаленного ввода-вывода сообщает Питер Лутц

В то же время также требуются возможности связи в реальном времени с гарантированной пропускной способностью и низкими задержками. Организация OPC Foundation уже разработала многие необходимые спецификации. Первый выпуск спецификации функциональной безопасности находится на рассмотрении, и первая спецификация для связи между управляющими устройствами была анонсирована на мероприятии SPS в Нюрнберге, Германия, в 2019 году. В мае 2020 года OPC Foundation учредила рабочую группу по приводным технологиям, чтобы определить для них профиль, обеспечивающий стандартизированную связь между контроллерами и приводами.

Следующим шагом будет расширение стандарта OPC FLC для связь между контроллерами и устройствами, такими как ввод-вывод и сервоприводы. Модульная архитектура нашего нового контроллера ctrlX Core позволяет использовать OPC FLC с TSN и EtherCAT одновременно без взаимного влияния говорит Томас Брандл

С самого начала участвуя в рабочих группах OPC FLC, Bosch Rexroth готовит обновление программного обеспечения, которое позволит ее новой платформе управления автоматизацией принять новый стандарт связи.

Подготовка к высокой скорости

TSN не заменит протоколы, которые отлично зарекомендовали себя в приложениях, требующих высокосинхронизированного и детерминированного управления движением.

TSN - это усовершенствованный подход к Ethernet. TSN обеспечивает ограниченный детерминизм в гетерогенных сетях IEEE 802, но по-прежнему имеет значительную задержку говорит Боб Траск, североамериканский представитель EtherCAT Technology Group

Следовательно, высокоскоростное оборудование и другие приложения для управления движением по-прежнему будут нуждаться в промышленном протоколе, таком как EtherCAT, который может гарантировать передачу данных в реальном времени. EtherCAT сможет и дальше предоставлять эти гарантии, поскольку он может быть включен в сети на базе TSN и наоборот, без каких-либо изменений в устройствах.

Мы работаем с Beckhoff Automation над разработкой устройства TSN, которое базово устанавливает туннель TSN между передатчиком приемником для потоковой передачи сообщений EtherCAT сообщает Боб Траск

Концепция моста EtherCAT основана на пересылке и обработке общих кадров на лету для оптимизации связи.

Он(протокол) может упаковывать фрейм с информацией от множества узлов, идущий к группе ведомых устройств добавляет Боб Траск

Следовательно, для интеграции EtherCAT в сеть TSN не требуется порт для каждого ведомого устройства, и можно обойтись меньшим количеством портов, что снижает как сложность, так и задержку. Добавление инфраструктуры TSN между ведущим и ведомым сегментами также создает логическое разделение. Результатом является большая гибкость для мастер-устройств, гарантированный максимум задержки и предсказуемая частота потери кадров.

CC-Link Partner Association (CLPA) также включила TSN в свой протокол, выпустив CC-Link IE TSN в ноябре 2018 года как технологию для детерминированного высокоскоростного управления.

Наличие встроенной поддержки CC-Link IE TSN в устройствах позволит обеспечивать безопасность, движение и управление машинами и устройствами, которые ранее не были подключены говорит Том Берк, глобальный стратегический советник CLPA и глобальный директор по отраслевым стандартам в Mitsubishi Electric Automation

Берк говорит, что CC-Link IE TSN уже внедряется в Азии и что CLPA также работает со своими партнерами над его развертыванием в Европе и Северной Америке. Планируется, что CC-Link IE TSN станет флагманским протоколом CLPA.

Поскольку у нас есть огромная база установленных устройств от всех наших партнеров, которые поддерживают наши текущие протоколы, CC-Link IE field и CC-Link IE control, у нас есть план миграции, который позволяет нашим поставщикам добавлять поддержку CC-Link IE TSN к их существующим устройствам. Мы работаем с нашими поставщиками над соответствующими мостами и шлюзами, чтобы сделать это реальностью добавляет Том Берк

Выжидательная позиция

По состоянию на вторую половину 2020 года не все протокольные ассоциации выпустили свои адаптации.

ODVA выбрала взвешенный подход, дождавшись окончательной доработки стандартов TSN, прежде чем адаптировать EtherNet / IP для TSN заявляет Др. Эл Бейдун президент ODVA

Он и его коллеги хотят избежать ложных запусков и любых связанных с этим неблагоприятных последствий для многих участников и пользователей экосистемы EtherNet / IP. Однако эта стратегия не означает, что ODVA бездействовала. Напротив, она была занята работой через стратегические группы участников, чтобы адаптировать свой EtherNet / IP для TSN. Частью мандата групп является разработка адаптаций, которые позволят EtherNet / IP поддерживать стандарт TSN без каких-либо проприетарных модификаций.

Все текущие технологии, в том числе DLR (кольцо на уровне устройства), CIP (Common Industrial Protocol) Motion и CIP Sync, смогут использовать методы, которые определяет IEC/IEEE 60802, посредством внедрения нового оборудования, а некоторые - за счет обновления прошивки сообщает Др. Эл Бейдун

Группы участников работают над тем, чтобы свести дополнительные технологии к минимуму и гарантировать, что существующие установки EtherNet / IP смогут использовать свои прошлые инвестиции.

Один из этих стратегических членов, Rockwell Automation, поддерживает эту работу на нескольких уровнях. Например, на отраслевой конференции ODVA 2020 года представитель выступил с презентацией по адаптации CIP Motion для TSN. Поставщик средств автоматизации также поддерживает стандарт посредством создания прототипов на этапе предварительной разработки продукта.

К счастью, поскольку EtherNet / IP был разработан с использованием стандартного немодифицированного Ethernet и программного пакета TCP / UDP / IP, мы полагаем, что основное влияние TSN будет на аппаратное обеспечение продукта. Воздействие на протокол будет относительно небольшим [1] поделился Пол Брукс, менеджер по развитию бизнеса в Rockwell Automation

Смотрите также

• Стандарт OPC Unified Architecture (OPC UA) TSN
• Honeywell Matrikon OPC Unified Architecture (OPC UA) - Honeywell

Примечания