TSN (Time Sensitive Networking)

TSN Nedir?

TSN, standart Ethernet Ağları üzerinden, deterministik mesajlaşmayı sağlayan bir standartlar bütünüdür. IEEE tarafından tanımlandığı üzere TSN, uçtan uca iletim gecikmeleri için pazarlığa açık olmayan zaman dilimleri sağlamak adına oluşturulan bir ağ trafiği yönetim biçimini tanımlar.Sonuç olarak, tüm TSN cihazları, saatlerini birbirleriyle senkronize etmeli ve endüstriyel kontrol uygulamalarında gerçek zamanlı iletişimi desteklemek için ortak bir zaman referansı kullanmalıdır.

TSN, Ethernet’i deterministic yapan bir dizi IEEE 802 standardını ifade eder. TSN, OSI Modelinin 2. katmanında yer alan yeni bir teknolojidir. Ethernet ağlarında belirleyiciliği ve verimi garanti etmek için sisteme tanımlar ekler. Aşağıdakiler, TSN’yi oluşturan IEEE standartlarından bazılarıdır:

• Enhanced synchronization behavior (IEEE 802.1AS)
• Suspending (preemption) of long frames (IEEE 802.1-2018)
• Enhancements for scheduled traffic (IEEE 802.1Q-2018)
• Path control and bandwidth reservation (IEEE 802.1Qca)
• Frame Replication and Elimination for Reliability (IEEE 802.1CB)
• Stream reservation (IEEE 802.1Q-2018)

TSN, endüstrinin gecikmesiz Ses/Video dağıtımını kullanmasından ve senkronize iletişim ihtiyacından gelişmiştir. AVB, TSN’in referans aldığı standarttır diyebiliriz.

IEEE 802.1Qca Path Control and Reservation, Layer2 ağlarda birden çok yolu yapılandırmak için kullanılan bir TSN protokolüdür. En Kısa Yol yönlendirme algoritmasını kullanır (Ojewale ve Yomsi, 2020). En kısa yol, determinizmi sağlamak için time sensitive kritik uygulamaya rezerve edilir. Kritik olmayan uygulamalar ise, ikinci en kısa yol üzerinden aktarılır. Bu paketler IP header’daki Type of Service (ToS) bilgisine göre belirlenir.

IEEE 802.1CB Frame Replication and Elimination for Reliability protokolüne göre ise; paketin bir kopyası da diğer linkler üzerinden aktarılır. Böylece bir link arızası veya switch arızası olduğunda paket kaybı yaşanmaz.

Zaman Senkronizasyonu ( Time Synchronization)

Adından da anlaşılacağı gibi, zamana duyarlı ağ iletişimi, tüm operasyonlarının temelini oluşturan birleşik ve birlikte çalışabilir bir altyapı içindeki tüm cihazlar arasında ortak bir zaman referansı oluşturmaya odaklanır.

Sınırlı Düşük Gecikme

Uçtan uca aktarımlar için pazarlık yapılamayan zaman dilimi tahsisi kavramını benimseyerek, bu bileşenler ağ üzerinden deterministik veri iletimi sağlar.

Ultra Güvenilirlik

Deterministik ağ ortamının tüm yönlerini uygulamak ve korumak için, en iyi güvenilirlik ve güvenliği sağlamak için bir dizi bileşen tanımlanmıştır.

Kaynak Yönetimi

Ağ ve uygulamalar daha yakınsamalı ve ölçek olarak daha büyük hale geldiğinde, daha iyi yönetilebilirlik ve görünürlük sağlamak için ek araçlar gerekir.

IIoT ve Industry 4.0’ın Geleceği

• Birden fazla protokol ve standart
• Az sayıda topoloji ile sınırlı uygulamalar
• Verilere erişmek zordur
• Daha yüksek entegrasyon ve bakım maliyetleri
• Marka bağımsız ama birbirleriyle iletişim kurabilirler (aynı dil)
• Esnek topolojiler daha fazla yeni uygulama ortamı sağlar
• Verilere buluttan veya shadan doğrudan erişilebilir
• Bakımı kolay, tak ve üret( plug-and-produce) üretim

Zamana duyarlı ağ (TSN) gelişiyle, standart Ethernet Ağları üzerinden artık deterministik hizmetler sağlamak mümkün hale gelmiştir ve farklı endüstriyel protokoller ile kurulmuş izole ağların birbirleri ile konuşabilmeleri olanaklı hale gelmiştir.

En büyük soruya gelince, TSN akıllı fabrikalarda kullanılmak üzere hazır mı?

TSN teknolojisini başarıyla uygulamak için üç temel gereklilik olduğuna inanıyoruz:

Gereksinim 1: TSN Üzerinden Endüstriyel Ethernet Protokolleri Desteği

Endüstriyel iletişim teknolojisi herhangi bir fabrikanın faaliyetlerinin ayrılmaz bir parçasıdır. Endüstriyel Ethernet protokolleri fabrikanın OT ağında önemli bir rol oynamaktadır. Farklı üreticiler, uygulama sistemlerinin gereksinimlerini karşılamak için özelleştirilmiş protokoller kullanır. Bu, ekipmanın, üretim hatlarının ve uygulamaların bağımsız olarak çalıştığı bir durum oluşturur ve bu da ilgili sistemlerin birbirleriyle iletişim kurmasını ve işbirliği yapmasını zorlaştırır.

TSN teknolojisinin başlangıcından bu yana, büyük endüstriyel Ethernet protokol kuruluşları aktif olarak standartları formüle etmeye ve TSN uyumlu endüstriyel Ethernet protokolleri geliştirmeye başladılar. Bu, farklı endüstriyel Ethernet protokolü ekosistemlerinin kullanıcılarının en son TSN teknolojisinden tam olarak yararlanmalarını sağlayacaktır.

Örneğin, 2018 yılında CC-Link Partner Association (CLPA), TSN standardına dayalı “CC-Link IE TSN” özelliklerini tanımlamış ve yayımlamıştır. Bir CLPA teknik incelemesi, CC-Link IE TSN protokolünü kullanarak birleşik bir ağın pratik avantajlarını gösteren bir otomotiv boya atölyesi ve yarı iletken işleme araçları gibi çeşitli uygulama durumlarını açıklamıştır. Eylül 2020 itibariyle CLPA’nın 300’den fazla kurumsal üyesi bulunmaktadır ve birçok üretici CC-Link IE TSN standardına uygun ürünler yayımlamıştır.

Dünya çapında 1.700 üyesi bulunan PROFIBUS & PROFINET International (PI) organizasyonu, Temmuz 2019’da “PROFINET Specification V2.4″ü yayınlayarak, TSN ağları üzerinden PROFINET tabanlı endüstriyel iletişime destek vermiştir. TSN teknolojisinin fizibilitesini kanıtlamanın yanı sıra, TSN ekosisteminin ilerlemesine de öncülük etmektedir.

2018 yılında, OPC Foundation tarafından başlatılan “OPC UA FLC girişimi” TSN ve ilgili uygulama profilleri de dâhil olmak üzere OPC UA’nın uygulanması için açık ve uyumlu bir yaklaşım sunmayı amaçlamaktadır. OPC Foundation ilk kez, ortak bir projeye katılmak üzere bir dizi üst düzey endüstriyel otomasyon üreticisini bir araya getirmiştir. Amaç, gelecekteki endüstriyel otomasyon sistemleri için TSN teknolojisine dayalı, gerçek zamanlı iletişim protokolleri oluşturmaktır. Bu standart hala geliştirilmekte olsa da, önemli ilerleme kaydetmektedir.

ODVA tarafından geliştirilen endüstriyel ethernet protokolü EtherNet/IP de TSN teknolojisini standart olarak kullanmanın eşiğindedir. Örneğin, Nisan 2020’de yayımlanan “EtherNet/IP Enhanced to Further Address Industry 4.0 ve IIoT”, TSN işlevselliğini EtherNet/IP standardına dahil etmek için LLDP desteğini eklemiştir.

Bu temel endüstriyel Ethernet protokolleri, TSN standardını destekleyecek şekilde güncellenmektedir. Buna ek olarak, bazı ekipman üreticileri zaten bu endüstriyel Ethernet protokolleri ile uyumlu TSN özellikli ürünlerini piyasaya sunmaya başlamıştır.

Gereksinim 2: TSN Çözüme Hazırlık

Endüstriyel Ethernet protokollerinin evriminin ardından, üstesinden gelinmesi gereken bir sonraki engel TSN çözümlerinin hazır olmasıdır. Akıllı bir fabrikada gerekli olan otomasyon cihazları, sistemleri ve hatta tüm üretim hattı için yazılım ve donanımı, tam bir çözüm uygulayabilmek ve TSN teknolojisini uygulamaya koyabilmek için TSN’i belirli bir ölçüde desteklemelidir.

Örneğin, yazılım ve donanım geliştirme kitleri ve geliştirme board’ları, TSN uygulamaları ve ürünlerinin üretimi için aygıt üreticilerine yardımcı olabilir. Controller, Switch, insan-makine arabirimleri (HMI), invertörler ve I/O’lar gibi otomasyon donanım aygıtlarının, sistem entegratörlerine yeni nesil otomasyon sistemleri ve ağları oluşturmada yardımcı olmak için TSN ile ilgili fonksiyonları desteklemesi gerekir.

Öte yandan, akıllı fabrikalarda yönetilen cihaz ve toplanan veri miktarında önemli bir artış olmuştur. Sistem entegratörlerinin genel dağıtım ve bakım maliyetlerini azaltmasına yardımcı olmak için, TSN ekipmanlarının merkezi yönetimi için yazılım yönetim aracı da genel çözümün vazgeçilmez bir parçasıdır. Bu, saha mühendislerinin karmaşık uygulama gereksinimlerini basitleştirmelerine ve TSN aygıtlarını yapılandırırken, önemli miktarda zaman tasarrufuna yardımcı olabilir.

TSN ekosistemine bir bütün olarak bakıldığında, 2016 yılında Almanya’da Akıllı Üretim Çözümleri’nin (SPS) kuruluşundan bu yana, çeşitli yonga üreticileri, developmant board’lar, ekipman ve yazılım kitleri yavaş yavaş TSN ile ilgili ürünleri piyasaya sürüyor. Otomasyon devleri tarafından son yıllarda piyasaya sürülen ürünlerden, TSN tabanlı çözümlerin hızla olgunlaştığı açıktır.

Gereksinim 3: Çok Satıcılı Birlikte Çalışabilirlik

TSN, endüstri tarafından tanınan birçok Ethernet standardının bir koleksiyonu olmakla birlikte, farklı üreticilerin cihazları arasındaki uyumluluk sorunları kaçınılmazdır. Buna karşılık, Endüstriyel İnternet Konsorsiyumu (IIC), Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0), Alliance of Industrial Internet (AII) ve Edge Computing Consortium (ECC) dâhil olmak üzere, Dünya çapında dört büyük TSN birlikte çalışabilirlik test platformu kurulmuştur. Bu platformlar sayesinde, cihaz üreticileri birlikte çalışabilirlik ve cihazlar arasında TSN teknolojisinin entegrasyonunu sağlamak için çalışabilir.

Almanya’da düzenlenen 2019 Hannover Messe fuarında Endüstriyel İnternet Konsorsiyumu (IIC) ortak demosunu sundu. Bu sadece birçok üreticinin TSN çözümleri sunma konusundaki kararlılığını göstermekle kalmamış, aynı zamanda sistem entegratörleri ve kullanıcılarına güven vermek için pratik bir araç olarak hizmet vermiştir.

Kasım 2019’da Moxa, Mitsubishi Electric, B&R ve Acontis ile birlikte Almanya’nın Nürnberg kentinde ki Smart Production Solutions’da (SPS) “TSN: Birleşik Ağ Altyapısı”nı sundu. Bir TSN birleşik ağ mimarisi kullanarak, iki büyük endüstriyel Ethernet protokolü CC-Link IE TSN ve OPC UA, TSN üzerinde koştu. Bu demo hareket kontrolü, görüntü aktarma, veri toplama ve diğer uygulamalaro entegre ederek, TSN’in pratik uygulamasını göstermiştir.

TSN çözümü, sektördeki diğer büyük oyuncularla yakın işbirliğinin bir sonucudur ve gerçekten bir ağ üzerinden hem kritik hem de kritik olmayan paket iletimlerini destekleyen birleşik bir ağ altyapısı sunar. Mitsubishi Electric ile yapılan ortak gösteride, yüksek bant genişliği, gerçek zamanlı iletişim ve hareket kontrol görevleri gibi yüksek düzeyde determinizm ve performans gerektiren çeşitli uygulamaları kolaylaştırmak için CC-Link IE TSN cihazlarını entegre eden bir TSN ağ altyapısı senaryosu sergilenmiştir.

Moxa aynı ağda, TSN üzerinden standartlaştırılmış OPC UA’yı da tanıttı. Bu entegrasyon sayesinde, TSN üzerinden Standart OPC UA iletişimi ile Controller-to-Controller, Controller-to-Field Device gibi tüm seviyelerde daha esnek ağ yönetimi sağlanmıştır.

Ayrıca, Acontis Technologies GmbH tarafından sağlanan TSN yazılımı, TSN framework’üne uç zekayı dahil etmede önemli bir rol oynar. TSN yazılımı, uç cihazlara akıllı, belirleyici ağ iletişimi getirmek için donanımdan veri gönderirken ve alırken gerçek zamanlı aktarım kapasitesini uygulama katmanına kadar genişletir.