PROFINET y TSN (Time Sensitive Network)

Este verano se completaron las especificaciones de PROFINET 2.4 que incluye, además de todos los detalles de las mejoras del estándar y su compatibilidad con todas las versiones anteriores, todo lo referente al uso de las capacidades TSN en PROFINET. Sí, estoy hablando de la red sensible al tiempo anunciada en 2017 y que junto con OPC UA conformaban las bases o cimientos de construcción de la Industria 4.0.

Pero vayamos por partes,

¿Qué es PROFINET?

Es un estándar de comunicación de Ethernet Industrial que permite la comunicación entre controladores y dispositivos intercambiando los datos entre ellos de forma rápida y determinista. Es potente, flexible y escalable lo que hace que su uso esté tan extendido a nivel mundial. Y, como usa el hardware de ethernet estándar, permite integrar fácilmente, desde el nivel oficinas hasta el nivel de campo, desde la planificación hasta la producción pudiéndose implementar fácilmente diferentes tipos de topología según las necesidades de la aplicación.

Con todo esto es difícil encontrarnos hoy en día con un automatista que no haya trabajado con PROFINET.

Y ¿Cómo funciona?

Pues bien, dependiendo del tipo de información a transmitir, PROFINET tiene tres canales de comunicación: NRT en tiempo no real, RT en tiempo real y IRT en tiempo real isócrono. Los cuales usan diferentes protocolos para el intercambio de datos en la red.

Cuando se usan los protocolos IP y TCP/UDP (PROFINET-NRT) implica mayor número de bytes por telegrama, más encapsulación y mayor tiempo de procesamiento, y, por tanto, la latencia y el jitter se ven afectados. Para esto, PROFINET creo el canal de RT que quita los pasos de encapsulación de la capa de red y transporte, y usa el conjunto de protocolos que conocemos como Ethernet cableado y el Ethernet Wireless (si, lo habéis leído bien…Wireless), creando telegramas con baja latencia y baja fluctuación, identificando a los dispositivos participantes en la comunicación con su nombre y su dirección MAC. Por lo que podemos decir que PROFINET limita el uso de los telegramas con protocolo IP y TCP/UDP a cuando es estrictamente necesario y los mensajes deben viajar entre LANs, y usa RT siempre que puede para ser rápido y real-time.

Pero en algunas aplicaciones esa baja fluctuación del PROFINET-RT no es suficiente. Se ve afectada por el uso de switchs que van añadiendo retardos no esperados, necesitando del canal de comunicación IRT, el cual modifica el estándar ethernet para agregar reglas que permiten dividir el tráfico de red en segmentos de tiempo, reservando uno para las comunicaciones IRT y dejando el resto de segmentos para el resto de las comunicaciones.

Y ahora,

¿Qué es TSN?

Es un conjunto de estándares abiertos y definidos de Ethernet. Modifica la capa 2 de enlace de datos de este para dotar de mecanismos y servicios a esta tecnología, garantizando la entrega de los paquetes con baja latencia, baja fluctuación y sin pérdida de los mismos (determinismo real). En resumen, es una actualización del actual estándar IEEE que quiere satisfacer los requerimientos de la industria 4.0.

TSN o Time-Sensitive Network, como su nombre indica, es una tecnología centrada en el tiempo. Se ha desarrollado para asegurar que los datos viajan de A a B en una porción de tiempo fija y predecible. Coincide en muchos de sus principios con el actual PROFINET-IRT, como en la sincronización horaria de alta precisión, en el procesamiento de la comunicación realizado por ciclos y en la división de estos ciclos mediante una fase para la comunicación Real-Time y otra para el resto del tráfico. Sin embargo, difiere de ella en que IRT es un protocolo propietario que necesita de dispositivos dedicados y certificados por la PI (PROFIBUS & PROFINET International), por lo que implementarlo suele suponer una gran inversión económica.

Y entonces,

¿Qué es PROFINET basado en TSN?

Es un nuevo canal de comunicación PROFINET con un gran potencial.

Algunas de sus características principales serán: su baja latencia, un jitter o fluctuación inferior a un microsegundo (1µs) y una sincronización de tiempo de alta precisión de todos los participantes, combinando las ventajas de las redes TI con las de las redes de automatización. Se asegura una alta disponibilidad incluso en los casos en los que la red esté sobrecargada, además de, una integración escalable, una comunicación vertical y convergente con otros protocolos como el OPC UA.

Con todo esto os preguntareis:

¿PROFINET basado en TSN reemplazará RT e IRT?

En principio no, ya que se encuentran al mismo nivel y, por tanto, será una opción más dentro del abanico de PROFINET. Sin embargo, sí que contendrá una serie de beneficios adicionales. Esto se debe a que TSN se basa en estándares abiertos y que muchos proveedores soportarán.

Es posible que en los próximos años los fabricantes decidan ir en una misma dirección, y como norma los nuevos dispositivos integren en su hardware el chip TSN, por lo que, entonces, nos encontraríamos ante una transición similar a la que se vivió entre los protocolos basados en RS-485 y la llegada de los protocolos basados en Ethernet.

Nos quedan aún unos años para ver cómo evoluciona este desarrollo y si la aceptación de los usuarios es tan buena como se predice. Hasta entonces, nosotros estamos al día de las novedades en cuanto a PROFINET se refiere, para que cuando veamos las palabras Real-Time y Ethernet juntas, no nos miraremos con escepticismo.

Los fabricantes miembros de PI ya pueden descargarse las especificaciones 2.4 para empezar con los desarrollos de sus dispositivos y/o sistemas.

Primeros prototipos de Siemens de PROFINET sobre TSN enseñados en la feria SPS – Smart Production Solutions Núremberg esta semana.