¿Qué es el Ethernet TSN?

Los mecanismos de Time Sensitive Networking (TSN) permiten controlar y dar prioridad a los flujos de datos en redes Ethernet. Para ello, se tienen en cuenta requisitos individuales como un ancho de banda garantizado, la sincronización de tiempo o tiempos de latencia cortos de las distintas aplicaciones, de modo que pueda garantizarse la capacidad del sistema para funcionar a tiempo real. Así se puede garantizar que, a pesar del alto tráfico de datos en la red, una aplicación no perturbe ninguna otra comunicación, ni se pueda ver perturbada por la misma.


¿Qué significa Time Sensitive Networking?

Time Sensitive Networking es un conjunto de estándares para mejorar las propiedades de tiempo real de las redes Ethernet actuales. Por tanto, se trata de varios estándares individuales, que actualmente se definen en el TSN Task Group de la organización de normalización IEEE 802.1.

Sin embargo, Ethernet TSN no es un protocolo de comunicación independiente, sino que define funciones que de nuevo pueden ser utilizadas por distintos protocolos como OPC UA o PROFINET.

Ventajas y propiedades del nuevo estándar TSN

Convergencia TSN

TSN permite la convergencia de IT y OT

Actualmente, la transmisión de datos de aplicaciones críticas en cuanto a tiempo real (p. ej. regulaciones rápidas, registro de señales en redes de energía o Motion Control) y aplicaciones con muchos datos (p. ej. streaming de vídeo o sistemas IT) se lleva a cabo en redes separadas para evitar interferencias mutuas. No obstante, la flexibilización y digitalización cada vez mayor de los procesos de trabajo requerían una mayor fusión de IT y OT y con ello una combinación de los sistemas separados hasta ahora.

Mediante la ampliación y la adaptación de los estándares Ethernet existentes, TSN logra una convergencia entre la tecnología de la información (IT) y la tecnología de servicio industrial (OT) en redes industriales. De este modo, pueden lograrse datos críticos en cuanto al tiempo real así como aplicaciones con gran cantidad de datos (p. ej. streaming de vídeo) mediante un cable Ethernet común sin que se interfieran mutuamente.

Funcionamiento de la tecnología TSN

TSN se basa en tres mecanismos clave que se definen en distintos estándares.

Convergencia de Red Ethernet

Tres mecanismos clave de la convergencia de red

Sincronización de la hora

En la sincronización de la hora se determinan los relojes de todos los equipos que intervienen y se sincronizan según el ciclo del sistema de control para adaptar entre sí el emisor y la aplicación en la red (norma IEEE 802.1AS-2019: Time & Cycle Synchronisation).

Planificación y Traffic Shaping

Control del tráfico de datos crítico en cuanto al tiempo real y no crítico en cuanto al tiempo real mediante la planificación y Traffic Shaping. Para ello, todos los equipos implicados funcionan según las mismas normas (norma IEEE 802.1Q-2018 con ampliaciones sobre Scheduled Traffic, Frame Preemption y Streams).

Selección de rutas de comunicación, reserva del ancho de banda disponible y tolerancia de error

La selección de rutas de comunicación, la reserva del ancho de banda disponible y la tolerancia de error se realiza según las mismas normas para todos los equipos que intervienen (normas IEEE 802.1Q-2018 y 802.1CB: Seamless Redundancy).

Toda la comunicación crítica en cuanto al tiempo real en la red se organiza para ello en los denominados streams, para los que según sea necesario y la prioridad del respectivo paquete de datos se ofrece una calidad de servicio concreta (ancho de banda, latencia, etc.). Los streams deben reservarse antes del uso para que pueda comprobarse el ancho de banda disponible con relación a otros streams. Un motor de gestión de redes, también denominado Centralized Network Controller o CNC, (p. ej. en el sistema de control) lee la topología, calcula los streams y configura la red de forma correspondiente.

PROFINET y OPC UA mediante TSN

Time Sensitive Networking permite una transmisión simultánea de varios protocolos de automatización e IT en una red convergente.

Los protocolos más populares en este caso son PROFINET y OPC UA, pero también hay otros sistemas como CC-Link IE especificados para el uso con TSN. Para que estos protocolos no se interfieran mutuamente en una red, debe acordarse un perfil común de cómo se utilizan los mecanismos TSN en la red. La creación de este perfil se produce en la actualidad principalmente en un grupo de trabajo común de IEC e IEEE, la IEC/IEEE 60802-IA.

Gráfico informativo - Perfil TSN común según IEC-IEEE 60802 – IA

Perfil TSN común según IEC/IEEE 60802 – IA

En la norma PROFINET se especifica el uso de normas TSN («Streams & Configuration», «Time & Cycle Synchronisation» y «Frame Preemption») ya a partir de la versión 2.4. Las normas IEEE correspondientes se implementaron en este caso de modo que se mantienen las propiedades básicas de PROFINET. Por tanto, hoy en día ya se desarrollan equipos con perfil TSN PROFINET, que están disponibles en el mercado.

La normalización con OPC UA en combinación con TSN se produce actualmente en la denominada iniciativa Field Level Communication (FLC) de la OPC Foundation. Una vez ha finalizado la normalización, aquí también se desarrollan los equipos correspondientes, que soportan OPC UA PubSub en combinación con TSN.

El compromiso de Phoenix Contact con TSN

Phoenix Contact participa en todas las organizaciones de normalización relevantes, como la OPC Foundation o la PI-International, y trabaja de forma activa en la implementación de las normas elaboradas en la IEC/IEEE-60802. Además, en este sentido ya se han elaborado y desarrollado equipos y soluciones de sistema propios para ofrecer una completa gama de productos TSN para la automatización industrial. De este modo, se hace posible una interconexión completa de IT y OT, pero también de distintos sectores en el sentido de la All Electric Society.

Switches gestionados aptos para tiempo real para TSN

FL Switch TSN 2300Los nuevos FL Switch TSN 2300 son los primeros switches Ethernet para el Time Sensitive Networking (TSN) de Phoenix Contact. Permiten crear aplicaciones con sincronización temporal y hacen posible una comunicación en tiempo real, además de aumentar la disponibilidad en sus redes de automatización.

Con las funciones Frame Preemption, Stream Management y una sincronización temporal precisa según IEEE 802.1AS, los switches respaldan en un primer paso el perfil TSN Profinet. De este modo, permiten una configuración TSN fácil para el usuario mediante la ingeniería Profinet 2.4, comparable fácilmente con el Profinet RT clásico.

Además, el amplio conjunto de propiedades de los switches gestionados, como en el resto de switches Phoenix Contact, hace que sea posible un uso universal de los switches TSN también en aplicaciones clásicas. De este modo, las soluciones de red actuales pueden migrarse fácilmente a arquitecturas TSN modernas.

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