Smart Factory 2024

Protokoły sieci TSN

Sieci TSN w porównaniu ze standardowym Ethernetem uzupełniono o mechanizmy, które zostały zdefiniowane jako rozszerzenia specyfikacji IEEE 802.1. Są to: synchronizacja, przekierowywanie, kolejkowanie, redundancja, wywłaszczanie ramek i inne. Zwiększają one funkcjonalność i jakość usług (Quality of Service) sieci Ethernet, by zapewnić determinizm czasowy i niezawodność, które są wymagane w komunikacji przemysłowej. Specyfikacje TSN to szereg elementów, przy czym wybrane z nich to:

• 802.1AS – Definiuje mechanizmy taktowania i synchronizacji umożliwiające planowanie ruchu i będące warunkiem deterministycznej transmisji. Jest to profil protokołu IEEE 1588 PTP.
• 802.1Qbv – Planowanie ruchu jest podstawową koncepcją sieci TSN. Według współdzielonego czasu globalnego (802.1AS) tworzony jest harmonogram przekazywany do urządzeń sieciowych. Standard 802.1Qbv definiuje mechanizmy kontrolowania przepływu ruchu w kolejce przez bramki na wyjściu przełącznika. Transmisja danych z określonych kolejek odbywa się w zaplanowanych oknach czasowych, a w pozostałych jest wówczas blokowana. To eliminuje ryzyko, że ruch planowy będzie zakłócany przez ruch nieregularny. Oznacza to, że opóźnienie na każdym przełączniku jest deterministyczne i można zagwarantować określone opóźnienie transmisji w całej sieci.
• 802.1Qbu – Choć mechanizmy 802.1Qbv chronią krytyczne wiadomości przed zakłóceniami przez inny ruch sieciowy, niekoniecznie skutkuje to optymalnym wykorzystaniem przepustowości łącza i minimalnymi opóźnieniami transmisji. Jeżeli te kwestie są ważne, można skorzystać z mechanizmu wywłaszczania zdefiniowanego w standardzie 802.1Qbu. Umożliwia ono przerwanie transmisji standardowych ramek Ethernet albo ramek jumbo, żeby umożliwić przesłanie ramek o wysokim priorytecie, a następnie wznowienie transmisji przerwanej ramki.
• 802.1CB – Mechanizm zarządzania redundancją zdefiniowany w standardzie 802.1CB opiera się na rozwiązaniach z IEC 62439-3-5 i IEC 62439-3-4. W podejściu tym nadmiarowe kopie komunikatu są przesyłane równolegle różnymi trasami w sieci (w specyfikacji 802.1Qca określono sposób ich konfigurowania). Mechanizm zarządzania redundancją łączy następnie te nadmiarowe komunikaty w celu wygenerowania pojedynczego strumienia informacji.

Jakie są zalety sieci TSN?

Opracowano wiele protokołów Ethernetu przemysłowego. Niestety bywa, że zależnie od dostawcy są różnie implementowane. To sprawia, że urządzenia są kompatybilne tylko z innymi sprzętami tego samego producenta obsługującymi dany protokół. Zawęża to wybór lub zmusza do większego wysiłku w celu zintegrowania sprzętu od różnych dostawców. W obu przypadkach liczyć się trzeba z większymi kosztami. Hamuje to też innowacje. W konsekwencji upowszechniły się systemy automatyki przemysłowej o architekturach hierarchicznych i dedykowanych, a przez to wysoce nieelastycznych. W dobie Przemysłu 4.0 przestają się one sprawdzać. Odchodzi się od nich na rzecz architektur elastycznych, których warunkiem jest interoperacyjność sprzętu i komunikacja w czasie rzeczywistym. Te wymagania spełniają sieci TSN.

Otwarty standard

Przewagę nad protokołami Ethernetu przemysłowego zawdzięczają one statusowi otwartego standardu IEEE, bez związku z żadną organizacją ani firmą. Dla rynku automatyki przemysłowej, który od lat ponosi konsekwencje konieczności korzystania z niekompatybilnych i zastrzeżonych protokołów komunikacyjnych, oznacza to szereg korzyści.

Przede wszystkim gwarantuje to kompatybilność na poziomie sieci urządzeń różnych dostawców. Ponieważ TSN jest częścią rodziny standardów Ethernet, sieć tego typu w oczywisty sposób skaluje się wraz z siecią Ethernet. To oznacza brak ograniczeń w zakresie przepustowości i pozostałych kryteriów wydajności – kolejne węzły można łatwo dodawać do sieci, wykrywając je za pomocą standardowych protokołów. Ponadto w sieciach TSN mogą się komunikować maszyny, jak również maszyny z systemami korporacyjnymi – łączność między krytycznymi systemami opartymi na TSN a tymi niekrytycznymi opartymi na Ethernecie można zapewnić bez konieczności wprowadzania modyfikacji w niekrytycznej infrastrukturze sieciowej. Wraz z popularyzacją sieci TSN będą także spadać ich koszty dzięki rosnącej konkurencji między dostawcami kompatybilnych urządzeń.

Konwergencja

Standardy TSN umożliwiają łączenie sieci, które wcześniej trzeba było odseparowywać ze względu na integralność operacyjną, wydajność w czasie rzeczywistym, wymagania bezpieczeństwa. Jest to kluczowe, gdyż przełamywanie barier komunikacyjnych pomiędzy systemami krytycznymi a tymi niekrytycznymi jest jedną z podstawowych koncepcji Przemysłu 4.0.

W sieciach TSN mogą współistnieć różne typy ruchu, bez wpływania tego o niższym priorytecie na ruch o wyższym poziomie krytyczności. Komunikaty priorytetowe można przesyłać tym samym łączem co pozostałe bez zakłóceń. Dzięki temu, że opóźnienia są przewidywalne nawet przy dużym obciążeniu, na sieciach TSN można opierać systemy sterowania ruchem i bezpieczeństwa.

W przypadku dużej liczby systemów w jednej sieci zadanie gromadzenia danych z różnych źródeł upraszcza się. Dane z systemów przemysłowych można przesyłać do systemów korporacyjnych za pośrednictwem standardowej sieci Ethernet bez konieczności stosowania bramek.

Do sieci TSN można dodawać nowe strumienie danych bez ryzyka zakłócenia istniejącego ruchu i bez konieczności rekonfiguracji. Ponieważ mechanizmy TSN są wdrażane całkowicie w warstwie łącza danych, bez problemu można wdrażać protokoły wyższych warstw, jak na przykład OPC UA. Generalnie także koszty są niższe dzięki temu, że w ramach jednej infrastruktury sieciowej można łączyć różne klasy ruchu sieciowego.