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테크놀로지

스마트 그리드 실현 위한 전력과 에너지 흐름을 제어하는 CompactPCI

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스마트그리드

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현재 전력 시스템이 심오한 변화를 겪고 있는 데는 다양한 이유가 있다. 이러한 이유들로는 새로운 시장에서 갑자기 늘어난 전력 소비, 자유주의화로 변한 전력 시장으로 인하여 증가된 네트워크 관련 생산자, 새로운 온실 가스 배출 목표로 인해 통합된 단속 신재생 에너지 발전 전원이 있다.

이와 동시에, 전력 시스템은 품질 및 서비스에 대한 엄격한 기준을 가져야 하고 수요와 공급 사이의 균형을 유지해야 함은 물론 모든 등급에서 안전과 보안이 유지되어야 한다.

이러한 것들을 갖추기 위해 전력 시스템은 여러 분야에서의 개선을 꾀하고 있는데, 특히 송배전, 데이터 수집과 통신, 그리고 어플리케이션 및 서비스 분야가 포함된다. 스마트 그리드 기술의 사용은 안전성, 품질, 그리고 안정성에 대한 조건을 만족시키면서 모든 분야들에서 네트워크의 현대화와 계속되는 변화에 대응하고 있다.

스마트 그리드 기술은 전력의 생산에서부터 사용자 특정을 위한 수송에 이르기까지 전체 전력 시스템 내의 다양한 활용 분야에서 적용된다. 이러한 적용에 있어 전력 시스템의 운영의 최적화와 더 나은 결정을 위한 고급 인터페이스를 제공하기 위해 전력 전자, 감지 및 측정, 통신, 그리고 선행 제어와 같이 다양한 기술들이 필요하다.

다양한 기술들이 개발되어 이미 적용되고 있는 반면, 고장 허용 한계, 초전도성, 지능 장치의 전력 저장 및 배치와 같은 일부 기술들은 아직도 개발 중에 있다. 많은 새로운 전력 전자, 통신 및 컴퓨터 공학이 연구를 하고 있지만 이러한 기술들은 이익 창출을 위한 비즈니스 모형으로 조직화되어 광범위하게 사용되어야 할 것이다.

전력 시스템은 충분히 최적화 되어왔으며 요즘 시장 내 어플리케이션 도메인의 대부분에 이러한 신기술들이 이미 어느 정도 적용되고 있다. 그러나 이러한 첨단 기술들은 기존 파워 그리드의 신뢰성과 안전성의 유지 혹은 개선에 큰 과제를 남겼다.

진보된 스마트 그리드 장비는 전기 전송에 있어 기존의 송전로를 통한 최대 전력 송달을 가능하게 하며 정밀한 전력 컨트롤을 갖춘 그리드의 안정성을 촉진한다. 예를 들어 high-voltage direct current (HVDC)의 경우, 많은 양의 전력을 장거리간 이동을 위한 기술로 진화되어 왔으며, 이로 인해 동일한 AC 시스템과 비교했을 때 매우 향상된 효율을 얻을 수 있었다.

여기서 향상된 다시 말하면 높은 효율이라는 것은 전기 전송과 비용이 적음을 의미하고 신재생 에너지가 다른 에너지원과 비교했을 때 경쟁력이 있다. 덧붙여, HVDC는 해안 풍력 발전에도 이용되고 있으며 이에 따라 풍력 통합을 한다. HVDC 전송은 시스템의 안정성을 도모하고 운영자로 하여금 더 쉬운 전력 조류 제어를 가능하게 함에 따라 전기의 유입과 유출에 이용된다.

재해와 같은 정전이 일어나는 횟수를 줄이면서 특히 높은 수준의 불확실성을 전력 네트워크와 같은 에너지의 생산 및 송배전에 있어 신뢰성과 보안성을 더 개선하기 위한 다양한 범위의 모니터링 시스템을 기대한다.

끝으로, 데이터 수집 및 통신 수준에서 supervisory control과 데이터 어큐지션 시스템(SCADA)이 실시간 그리드 상태를 분석함으로써 빠른 전력 조정을 위한 데이터를 제공한다.

 

전력 변전소
전력 변전소는 발전소에서 나온 전압을 수송에 맞는 고전압으로 바꾸고, 나중에 학교, 기업, 가정에서 쓰이는 저전압으로 변환하는 매우 중요한 장치이다. 이러한 변전소들이 거주 지역에서 매우 가까이 위치함에 따라 전기 회사들은 물리적, 기능적으로 안전성의 보장에 많은 주의를 기울여야 한다.

지금의 제어 시스템은 변전소에서 확대된 자동 제어 기능과 모니터링을 제공하며 중앙 제어실과 변전소 사이에서 이루어지는 높은 대역폭의 전송을 위해 가끔 광섬유 통신을 이용하기도 한다. 예를 들어 모듈식 회로 차단기 감시 시스템은 변전소 내 개폐 장치실의 운영과 관련된 모든 것을 측량하는 것을 촉진하기 위해 고안되었다.

모든 bay 데이터가 TCP/IP를 이용한 섬유 케이블을 통해 송달되지만, 국소 제어실의 감시 장비는 변환기와 다른 신호원 가까이에 위치한다. 이 모든 것들은 합쳐져 배선을 간결하게 하고 대부분의 변전소와 외부 네트워크 사이의 연결에 있어 매우 융통성 있는 인터페이스를 제공하게 된다. CompactPCI-기반의 산업용 컴퓨터 시스템과 데이터 획득 카드는 변전소 감시에 필요한 데이터의 획득과 저장 설비를 제공할 수 있다.

다양한 변환기들이 획득 카드에 데이터를 제공하는 신호 조절 모듈에 전력을 제공한다. 성능이 한계가 되면 모듈은 알람을 울린다. 잡음을 극복하고 그룹 루프를 제거를 위해 방사선, 섬유 광 통신 시스템은 제어실의 중앙 데이터 서버로 각각의 베이를 통해 연결된다.

이러한 서버는 감시 시스템 데이터와 더불어 알람의 시각적 형상을 전형적으로 제공하며 LAN, WAN, 혹은 모뎀을 통한 원격 접근을 가능하게 하고 이에 따라 변전소의 전체 성능을 평가하게 한다.

또한 섬유 통신은 사람이 없는 전력 변전소에서 전통적인 SCADA 적용 감시 데이터 및 알람 기능과 더불어 감시 및 제어 기능의 향상을 목적으로 설치될 고해상 비디오 감시 카메라 수의 증가를 가능하게 한다.

 

CompactPCI의 등장
지난 수십 년간 전력과 에너지 적분기들은 전력 변전소의 감시를 위해 다양한 내장 기술들을 이용한 다부진 전기 시스템을 적용해 왔으며 이들 중 일부에서는 그 핵심 기술로 CompactPCI을 이용했다.

CompactPCI는 견고한 3U 혹은 6U 유로카드 패키징 내 표준 PCI의 전기적 사양에 기반을 둔 매우 고성능의 산업용 버스로 동종 데스크톱과는 달리 IEC 및 Bellcore 기준에 부합하는 고품질의 2mm 메트릭 핀과 소켓 연결기를 이용한다.

CompactPCI 보드가 섀시의 앞 부분으로부터 삽입되기 때문에 I/O는 전면 패널로부터 (또는 후면 패널로부터) 발생할 수 있으며 이에 따라 변전소 환경에서의 설치, 배선에 용이하며 이상적인 유지 요건을 갖는다. CompactPCI는 8개 슬롯을 지원함으로써 필요에 따라 부가될 수 있는 추가적 작업 혹은 I/O을 가능하게 하며 산업적 적용에 적합한 패키징 계획을 제공한다.

 

주문제작방식의 COTS (C2OTS)
어드밴텍은 또한 똑같은 공급자처럼 보이는 두개의 동일한 CompactPCI 블래이드는 완전히 똑같지는 않으며 그 특징도 여러 면에서 다르다. 어떤 것은 I/O 포트가 없거나 커넥터가 없고 어떤 것은 사용자 정의 IPMI 기능이 들어가 있지 않다. 이것이 바로 어드밴텍이 주문제작 방식의 COTS 프로그램을 시행하게 된 이유다.

어드밴텍은 기존의 표준 제품을 추후에 커스터마이징하기 때문에, 우리의 프로세스는 사용자 정의 COTS 비즈니스 모델을 지원하기 위해 맞게 조정된다. 우리는 고객의 고유 IP 통합 뿐만 아니라, 기계 및 개략적인 변화, 비용 최적화, 브랜드 등의 다양한 변경 사항을 지원함으로써 “표준 제품 전용” 로드맵에 비해 상당한 유연성을 제공한다.

 

어드밴텍, MIC-3395 6U CompactPCI

어드밴텍, MIC-3395 6U CompactPCI

 

3세대 Intel Core 기술을 기반으로 한 블레이드 MIC-3395 6U CompactPCI
MIC-3395 6U CompactPCI SBC는 높은 수준의 성능과 풍부한 기능을 제공하며 보다 업그레이드 된 길을 OEM에게 제공해준다.

또한, 블레이드는 Intel 코어™ i7-3555LE, i7-3517UE 과 i7-3612QE 프로세서 SKUs을 제공한다. 이 제품은 최대 8GB ECC 지원하며 SO-UDIMM 모듈과 보드 DDR3에 최대 4GB의 메모리 용량을 하나의 4HP 슬롯으로 제공한다.

여기서 I/O 확장은 대용량 저장 장치가 8GB 내장 플래시 플러스 옵션으로 CompactFlash 및 RTM 기반 SAS 저장 옵션, 온보드 2.5 “SATA-III 지원이 가능하며 PMC / XMC 슬롯을 통해 보장된다.

 

어드밴텍, MIC-3325 3U CompactPCI

어드밴텍, MIC-3325 3U CompactPCI

 

MIC-3325 3U CompactPCI 블래이드 – 저전력 및 광범위한 온도 지원이 가능한 Intel Atom 프로세서를 기반으로 하는 듀얼 및 싱글 코어 프로세서 블레이드

어드밴텍의 MIC-3325은 Intel Atom™ processor D525/N455 과 ICH8M 두 개의 칩 플랫폼을 기반으로 한 3U CompactPCI 듀얼/싱글 코어 프로세서 블레이드이다. 이 제품은 2개의 코어와 4개의 프로세싱 파워 스레드를 통해 고성능과 저비용을 제공하며, 통합 I/O (IIO) 및 통합 그래픽 프로세싱 유닛(GPU), 통합 메모리 컨트롤러(IMC) 등을 포함한 Intel 칩셋을 통해 완벽한 I/O 활용을 특징으로 한다.

저전력의 Intel Atom 프로세서는 더욱 광범위한 온도에서 작동할 수 있게 한다. 온보더 CPU와 메모리는 MIC-3325와 같은 소켓 장치와 보다 더 적은 무게 및 높은 충격과 진동에도 저항할 수 있도록 하여 중요한 데이터 수집 및 파워 군사 및 국방, 교통, 측정 및 테스트 뿐만 아니라 MIC-3325는 확장 I/O 지원을 제공해주는 PCH로서 Intel ICH8M를 제공한다.

통합 기가바이트 이더넷 컨트롤러는 다양한 속도(10/100/1000 Mb/s) 에서 작동하며 양방향(full duplex) 과 반양방향(half duplex) 모드를 지원한다.

유연한 8HP 확장 모듈 디자인은 추가적인 유연성 및 I/O 연결을 사용하여 MIC-3325을 제공한다.

 

결론
우리는 C2OTS 접근 방식은 고객의 CompactPCI 배포의 각의 장기적 성공에 매우 중요하다고 생각한다. 표준 재고품의 모델을 기반으로 복잡한 CompactPCI 제공, 사용자 정의 혁신을 장려하기 위해 개발 및 생산 전략을 생각하며, 고객의 특정 요구 사항을 충족하기 위해 독특한 맞춤형. 사용자 정의 COTS으로 어드밴텍은 앞으로 미래에 이러한 전력 및 에너지 등의 분야에서 중요한 작업의 핵심에 많은 CompactPCI 기반의 디자인을 유지할 수 있을 것이다.

본 문서에 제시된 아크 플래시 탐지 시스템은 비용 및 성능 측면에서 가장 효율적인 방법이다. 파이버옵틱 구성 요소는 아크 플래시 탐지 체계를 구축하는 가장 용이하면서도 안전한 해결책인 것이다.©

어드밴텍 www.advantech.co.kr

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스마트공장

정보 흐름 최적화를 통한 생산성 향상, Syngineer(신지니어)가 구현하는 완벽한 협업

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이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

4차산업혁명 시대에는 여러 엔지니어링 부문이 함께 성장하며 이루어나가야 한다. 그렇다면 현재 이들 간에 존재하는 장벽을 어떻게 극복해야 할까? Syngineer는 전기와 기구엔지니링 설계자들이 ‘서로 대화’를 할 수 있도록 해준다. 이 클라우드 기반의 툴은 기계 및 시스템 개발을 위한 부서간의 엔지니어링 협업을 최적화함과 동시에 좀 더 나은 커뮤니케이션 환경을 제공한다.

위에 제시한 전기설계의 예에서 볼 수 있듯이, Syngineer를 사용하면 프로젝트 진행 상태를 문서화할 수 있다. 모든 정보는 전기 엔지니어링과 기구 엔지니어링 팀 간에 양방향으로 주고받을 수 있다.

위에 제시한 전기설계의 예에서 볼 수 있듯이, Syngineer를 사용하면 프로젝트 진행 상태를 문서화할 수 있다. 모든 정보는 전기 엔지니어링과 기구 엔지니어링 팀 간에 양방향으로 주고받을 수 있다.

많은 설계 엔지니어들이 일상적으로 부딪히는 중요한 도전과제중의 하나는 정보를 획득하고 제공하는 것이다. EPLAN과 그 자회사인 CIDEON(씨데온)이 개발한 혁신적 클라우드 솔루션인 Syngineer는 이와 같은 걸림돌을 극복할 수 있도록 지원한다. 엔지니어링 분야에서의 협업, 특히 기구엔지니어링과 전기엔지니어링, PLC/소프트웨어 사이의 작업 조정을 간소화하고 그 속도를 높인다. Syngineer 시스템을 통해 다양한 엔지니어링 영역에서 서로 정보를 원활하게 교환하며 협업을 증진할 수 있다. 이렇게 함으로써 종종 엔지니어링 마지막 단계에서 수작업이 발생하여 상당한 비용을 초래하게 되는 상황도 훨씬 더 줄일 수 있다.

더 많은 투명성을 제공하는 단순한 시스템

Syngineer는 사용자들을 위한 프로젝트 기반 접근법을 취하고 있으며, 그 적용은 매우 간단하다. Syngineer의 선임 엔지니어링 컨설턴트인 맥스 뤼첼(Max Lützel)은 “Syngineer를 사용하면 MCAD 소프트웨어와 EPLAN Electric P8 간 연결을 손쉽고 빠르게 설정해 사용할 수 있다.”고 밝혔다. 예를들면 “간단한 오리엔테이션만으로도 설계 프로세스상에서 모터 변경이 발생하면, 해당 동료는 그 변경사항을 실시간으로 바로 알 수 있다.”는 것이다.

전기 엔지니어들은 기존의 익숙한 작업 환경에 내비게이터를 추가함으로써 Syngineer를 사용하게 된다. 이 내비게이터를 통해 전기 엔지니어는 타 부서의 기구 엔지니어링의 동료 엔지니어와 연결된다. 전기와 기구, 이 두 영역의 설계 부서가 엔지니어링 정보를 양방향으로 교환할 수 있다. 이와 같은 통합 덕분에 양쪽 엔지니어들 모두 각자에게 친숙한 시스템 내에서 편리하게 작업하면서도 채팅 기능 등을 통해 서로 최신 개발 상황을 조율할 수 있다. 이메일을 통한 변경 사항 통지도 가능하다. 이러한 설정은 알림 관리 시스템을 사용해 손쉽게 맞춤화할 수 있다.

개발 진척 상황을 한눈에 Syngineer에서는 작업 및 요청의 현재 처리 상태를 라벨링할 수 있다. 개발 프로세스 상의 변경 사항과 각각의 진척 상태는 모든 관련 직원이 확인할 수 있다. 나아가 본 시스템은 누가 어떤 변경을 처리했는지에 대한 정보도 제공한다. 그 결과 프로젝트 매니저는 중앙화된 위치에서 프로젝트 상황을 한눈에 볼 수 있고, 사후 고객 요건에 대한 개요를 파악할 수 있다. Syngineer 소프트웨어는 현재 독일어와 영어로 지원되며, 향후 제공 언어가 추가될 예정이다. 세계화 시대에 걸맞게 인터넷 브라우저, 스마트폰, 태블릿, 노트북 등 다양한 경로로 액세스가 가능하다.

이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

이제 전기 엔지니어들도 기구엔지니어링 CAD 에서 발생한 변경사항을 투명하게 이해할 수 있다.

확장 가능한 시스템

클라우드 기술 기반의 또 다른 중요한 실용적인 이점은 외부 파트너, 고객 및 공급업체도 개발 프로세스에 쉽게 통합될 수 있다는 것입니다. 아울러 클라우드 아키텍처는 유연한 사용자 확장성도 보장한다. 이로써 기업은 필요할 때면 언제든 사용자 수를 조정하며 생산, 커미셔닝, 유지보수 등의 부서에 추가적인 액세스를 제공할 수 있다.

Syngineer는 효율적인 정보 교환을 지원함으로써 시간 절약과 제품 품질 향상을 약속한다. Syngineer를 사용하여 센서/액츄에이터 목록을 자동 생성하면 잠재적인 절감 효과는 더욱 배가된다. 그 결과 기업은 문서화 품질을 높이는 것은 물론, 업무 시간을 30% 단축할 수 있다.

이플랜코리아 www.EPLAN.co.kr

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스마트공장

B&R ACOPOStrak, 휴먼-트랙 콜라보레이션 구축

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mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

생산 라인에 안전 펜스가 설치되어야 하는 시대는 끝났다. 앞으로 공장에서는 기계와 로봇, 그리고 사람이 함께 협력하여 일하게 될 것이다. 사람과 지능형 수송 시스템이 같은 레벨로 서로 협동하기 위해 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’이라는 개념을 최초로 도입한 제조업체가 바로 B&R이다.

사람은 수많은 생산 라인에서 핵심적인 역할을 한다. 심지어 인더스트리4.0 시대에도 조립과 테스트 작업은 매뉴얼로 하는 것이 가장 좋은 방법중의 하나이다. 사람의 지능으로 빠르게 배울 수 있고 거기에 고성능의 기계가 더해지면 복잡한 타스크도 쉽게 수행할 수 있다. “이것이 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’이 탄생한 배경입니다.” 라고 B&R 메카트로닉 기술 매니저인 Robert Kickinger씨는 말한다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

사람들이 기계와 협력하여 일할 때에는 안전이 최우선이다. 휴먼-로봇 콜라보레이션(HRC)에 대한 안전 표준과 권고사항이 확립되어 있지만, 휴먼-트랙 콜라보레이션(HTC)은 아직 확립된 사항이 없다. 이것이 놀랄 일은 아니다. 마찬가지로 Kickinger씨는 “우리는 이 분야에서 새로운 영역을 개척하고 있습니다.” 라고 말한다. B&R은 ACOPOStrak 시스템을 적용시킨 매뉴얼 작업 공간에서 안전을 보장하기 위한 방법으로 기술적 측면에서는 휴먼-로봇 콜라보레이션을 위해 정의된 한계치를 사용하고 관련 분야의 C 표준을 적용한다.

5가지 통합된 안전 기능
ACOPOStrak은 휴먼-트랙 콜라보레이션에 있어서 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Direction (SDI), Safe Maximum Speed (SMS), 이렇게 5가지 핵심 안전 기능을 갖추고 있다. 최대 안전 응답 시간은 6밀리초로 매우 빠르다. 이 기능들로 ACOPOStrak 셔틀은 사람이 작업하는 공간을 지나갈 때에는 속도와 힘을 제한하고 계속해서 트랙의 나머지 부분을 통과할 때에는 완벽한 성능으로 주행한다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

mapp Trak이 제공하는 안전 기능은 트랙 근처에서 사람이 실제로 작업하는 곳에만 적용된다.

B&R 솔루션의 차별화는 좀 더 디테일한 면에서 나타난다. 이에 대해 “안전 속도 및 힘에 대한 제한 값은 고정된 값이 아니라 안전 어플리케이션이 실제 실행될 때 유연하게 계산될 수 있습니다.” 라고 Kickinger씨는 설명한다. 따라서 서로 다른 무게의 셔틀이 위험을 일으키지 않고 각각의 최대 안전 속도로 이동할 수 있다. Kick-inger씨는 “트랙과 같이 작업하는 공간에서 이 정도 수준의 솔루션을 제공하는 것은 우리가 처음입니다.” 라고 말한다.

안전 설정
또한 ACOPOStrak의 안전 기능을 통해 안전 설정 모드를 구현할 수 있다. 설정 모드에서는 속도 및 힘 제한이 전체 트랙에 적용된다. 일단 사람이 안전 구역을 벗어나면 그 제한 사항은 해제된다. “이것은 다른 모든 트랙 시스템에서 사용하는 기능 중 가장 특출난 기능입니다.”라고 Kickinger씨는 강조한다. 다른 시스템에도 속도를 제한할 수 있는 트랙 요소가 있지만 이러한 제한 사항을 조정할 수 있는 시스템은 없다. ACOPOStrak이 아닌 다른 시스템에서는 안전 모드에서 고속 활성화 모드로 전환하는 것은 불가능하다.

ACOPOStrak은 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Di-rection (SDI), Safe Maximum Speed (SMS) 등 5가지 핵심 기능을 갖추고 있다.

ACOPOStrak은 Safe Torque Off (STO), Safely Limited Speed (SLS), Safely Limited Force (SLF), Safe Di-rection (SDI), Safe Maximum Speed (SMS) 등 5가지 핵심 기능을 갖추고 있다.

효율성 및 수익성
응답 시간이 매우 짧기 때문에 빠른 조치가 가능하며 매뉴얼 작업공간에서 안전 설정 모드를 사용하더라도 트랙을 둘러싼 기계 설치 공간은 많이 필요하지 않다.

B&R이 소개한 ‘휴먼-트랙 콜라보레이션’은 지능형 ACOPOStrak 수송 시스템의 사용 범위를 확장하는 동시에 시장 출시 기간이 짧아지면서 투자수익률도 올리는 강점이 있다. 복잡한 작업 같은 경우에는 사람에게 맡기는 것이 완전 자동화된 시스템보다 기계를 더 빠르게, 더 저렴하게 사용할 수 있다.

또한 B&R의 안전 솔루션은 작업자가 매뉴얼 작업 공간에서 작업을 진행하는 동안에도 생산을 계속할 수 있기 때문에, 기존의 솔루션보다 설비종합효율(Overall Equipment Effectiveness)를 극대화할 수 있다. B&R은 이 신기술로 제조 라인의 새로운 미래를 개척하고 있다.

ACOPOStrak
B&R은 2017년 SPS IPC Drives 전시회에서 처음으로 지능형 ACOPOStrak 수송 시스템을 선보였다. 초당 4미터 이상의 속도로 제품들은 독립적으로 제어되는 셔틀을 통해 A 가공 작업대에서 B 가공 작업대까지 이동한다. 그 사이에는 제품들을 나누기도 하고 합치기도 하는 다이버터가 있다. 이것은 특히 고객 맞춤화 제품을 생산하는 기계 제조업체들에게 완벽하게 자동화된 제조 시스템을 구축할 수 있는 무한한 가능성을 열어준다. [제공. 비앤드알산업자동화 www.br-automation.co.kr]

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English News

TSN; A Milestone for Industry

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The proven communications standard Ethernet has been optimized through the addition of quality-of-service mechanisms. Various new IEEE standards will enable Ethernet to reliably transmit several protocols (including real-time-capable ones) in parallel within predefined maximum time limits. Industrial users and car manufacturer are already getting ready to employ it.

The steel arms move perfectly in step with one another and wave their grippers at the viewer. Not even the minutest delay is noticeable when the two industrial robots perform their graceful machine ballet. This perfect coordination is due to a technology that is currently ushering in a new era of industrial communication: Time-Sensitive Networking (TSN).

For the past 40 years or so, Ethernet has been the undisputed leader when it comes to the transmission of digital data through cables. Siemens has been there from the very beginning and even launched the first Industrial Ethernet network on the market: SINEC H1. As a result, Ethernet was not only used in offices but also, in particular, in industrial manufacturing. However, the standard had a problem from the very start – it could not guarantee that the data packets transmitted by the sender would arrive at the recipient within a certain amount of time. This is an unacceptable situation for industrial controllers – after all, sensor measurements and control signals musn’t take too long to arrive at their destination if a machine is to operate reliably. They need real-time communication within milliseconds – a task for which Ethernet was not originally conceived.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required.

An important development: In the future, everything will build on Ethernet with TSN and can be operated in parallel as required. (@siemens)

That’s why users who want real-time communication via Ethernet need to employ technological extensions such as the widespread Profinet standard. In machines, for example, this standard connects sensors, actuators, and drives to the central controller by adding real-time data transfer capabilities to Ethernet, enabling applications up to and including the precise control of servo drives. “However, to do that you generally need special hardware components inside the connected devices,” explains Matthias Gärtner, Head of System Management at the Simatic Controller unit of Siemens. “Moreover, the various real-time Industrial Ethernet solutions cannot be run in parallel on the same Ethernet network.”

TSN will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.

This problem will soon be a thing of the past, because the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for standardizing various systems, has extended Ethernet by adding the urgently needed mechanisms for real-time communication. These include time-controlled transmission, synchronization, and bandwidth reservation. In this way, the IEEE is improving the quality of service by means of TSN. This will enable Ethernet to supply the same time information to all of the connected devices that support these extended standards. As a result, the entire network will be precisely synchronized. In addition, reservation protocols ensure that the data packets are transmitted from the sender to the destination via all the intervening switches according to a predefined timetable. The TSN standards also take into account the topology of the network in question – i.e. whether the network is arranged in the form of a star, a ring, or a line and the number of switches between the sender and the recipient. Moreover, the standards also include seamless redundancy processes.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system.

Attractive for the entire industry: In addition to real time-capable communication within machines, communication between machines can now also happen in real time, improving throughput in the entire plant system. (@siemens)

A Single Network for All Data
“It’s a historic moment for Ethernet,” says Gärtner. “In the future, it will be possible to use standard hardware components for Profinet and other real-time industrial communication protocols that are based on TSN. This will enable all data – including real-time information – to be transmitted through a single network in effect simultaneously.” Users will automatically benefit from the steadily increasing bandwidth of standard Ethernet, which will be needed more and more as a result of the increasing IP connectivity of the automation systems. It will also make communication more robust because the switching resources in the TSN switches are firmly reserved for the requested real-time communication needs so that information can no longer be lost due to buffer overflows, for example.

In addition to a rising demand for real-time-capable communication in machines via Profinet, there is also a growing demand for deterministic (i.e. predetermined) data exchange between different machines. Examples include cooperative robots that simultaneously work on the same work piece and so need to precisely coordinate their movements with one another. The OPC UA standard with the PubSub (Publish/Subscribe) extension has now established itself in this area. It can also employ Ethernet with TSN as its transmission medium. “I expect Ethernet with TSN to be introduced into the entire industrial manufacturing process,” says Gärtner. “But that’s not all. Car manufacturer also want to use the new standard to transmit the large amounts of data from reversing cameras within vehicles, for example, or to make autonomous driving possible, which won’t be achievable without onboard networks that incorporate quality-of-service mechanisms.” The time for this has now come. The first TSN components are now being launched on the market and Siemens will use actual TSN products to demonstrate deterministic machine-to-machine communication over OPC UA PubSub at Hannover Messe 2018. These products will be purchasable at the end of the year, when Ethernet with TSN will have finally arrived in the modern world of digitalization and “Industrie 4.0”.

more info at http://www.siemens.com/tsn

 

 

[Box]

Interview about TSN: “Ideally Prepared for the Future”

 

Siemens is one of the driving forces behind the development of Ethernet with TSN. Sven Gottwald, Head of System and Vertical Management for Industrial Communication and Identification, explains how the application of the new standard benefits users.

Why is Ethernet with TSN such an important development?

Because it means that we no longer need different Industrial Ethernet solutions for deterministic communication in industry. In the future, they will all run on the widely used Ethernet with TSN and can do so in parallel without restrictions. This includes Profinet, OPC UA PubSub, and all other TCP/IP-based protocols. This convergence is a huge benefit for industrial users, because it enables all types of data to be transmitted through a single physical network in which time-sensitive information always has precedence so that it reliably arrives on time. That’s precisely what companies need in order to fully exploit the potential of digitalization and “Industrie 4.0”.

How does Ethernet with TSN regulate the “timetable” for the data?

The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), which is responsible for the standardization, provides two options for this: It’s either done by a central unit or the connected devices negotiate it among themselves. As a member of the “Labs Network Industrie 4.0” (LNI4.0) testbed, Siemens prefers the second option because the use of a central unit requires extensive reconfiguration every time a change occurs in the network. However, if the system configures itself, it’s easy to integrate new devices. That’s why we talk of “Plug & Work”-capable networks, which greatly benefit our customers.

What is Siemens doing with regard to Ethernet with TSN?

The entire automation industry is working hard on this topic of course. However, Siemens is certainly one of the leading companies in this area. We are actively involved in all of the major standardization bodies, such as the IEEE, the IEC, the OPC-F, and the PI. We also supply the editor for some of the TSN IEEE standards.

The first TSN products will start shipping before the year is out. That’s why our customers are ideally prepared for the digital future with Siemens.

 

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