隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,不同的場景與應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰,網(wǎng)絡(luò)部署面臨著新的需求和挑戰(zhàn),為了有效解決以太網(wǎng)通訊的不確定問題,實現(xiàn)真正的實時通訊,各大廠商開始大力引入和推廣時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。
TSN擁有許多傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以實現(xiàn)的功能,它的前世今生是什么?TSN能為IT與OT深度融合帶來哪些契機?最新的行業(yè)動態(tài)又有哪些?
近日,研華科技聯(lián)合CC-Link協(xié)會連線直播,為大家深入解析TSN這一可能成為未來工業(yè)通信統(tǒng)一標準的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
TSN,未來已來
研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠表示,目前工業(yè)領(lǐng)域所使用的通訊協(xié)議形色不一,每一個協(xié)議背后也都各自有支持的廠商,彼此不相容,難以形成統(tǒng)一標準。
“語言”不通為實時通訊帶來很大難度,想享受“書同文,車同軌”式的便利,統(tǒng)一標準的TSN也就應(yīng)運而生。
傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在延遲和實時控制困難的問題,傳輸速度無法超過100 Mb/s,擴展性也因此受到影響。不同的通訊協(xié)議只能使用專有的硬軟件,更是嚴重限制了用戶使用的靈活性、設(shè)備互操作性,增加了維護和運營成本。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代,企業(yè)亟需最大程度保持敏捷、靈活,以提高效率和迅速響應(yīng)能力,TSN的出現(xiàn)正解決了這一問題。
CLPA中國支部高級工程師楊凱表示,在目前的工廠網(wǎng)絡(luò)里,不同的生產(chǎn)線上,可能會存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協(xié)議,不同產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)交互和信息化改造始終是用戶的痛點。而傳統(tǒng)的工業(yè)實時以太網(wǎng),一般采取預(yù)留帶寬的方式來保證數(shù)據(jù)的實時性和準確性,但可靠性和實時性的表現(xiàn)著實一般。
TSN作為以太網(wǎng)擴充的協(xié)議標準,在實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合傳輸、打破信息孤島,以及實現(xiàn)互聯(lián)互通等方面展現(xiàn)出了前所未有的潛力。
TSN原本是起源于Ethernet AVB(Audio Video Bridging)的標準化規(guī)格,它在被賦予了同步時間、控制A/V機器機能、預(yù)約頻寬等功能后,由IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)不斷增修,普及到了工業(yè)、汽車等行業(yè),并在2012年將其正式改名為TSN。
顯而易見,在未來,工業(yè)以太網(wǎng)將從個別規(guī)格向共通網(wǎng)絡(luò)規(guī)格移轉(zhuǎn)。
CLPA中國臺灣地區(qū)事務(wù)局長陳重光介紹道,近年來,除了IEEE將該規(guī)格同步到IEC的國際標準規(guī)格上外,CC-Link協(xié)會、PI、OPC UA等開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)會團體也正在研討將TSN作為開放型網(wǎng)絡(luò)的適用性。
陳重光表示,目前,TSN的各項征訂規(guī)格的板塊仍在組建當中,作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)常會使用的技術(shù)規(guī)格,其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網(wǎng)絡(luò)上連接機器的同步時間;IEEE802.1Qbv將通訊幀分類,確保優(yōu)先通訊頻寬;IEEE802.1Qbu則負責(zé)定義優(yōu)先級的通訊幀,在進入優(yōu)先度高的頻寬時會分割通訊幀,并讓優(yōu)先度高的優(yōu)先通行。
陳重光解釋道:“在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下,整體的通訊效率會受到低速通訊幀速度的影響,在使用TSN技術(shù)時,就像將公路上的快慢車道實行分離,讓特定的通訊協(xié)議優(yōu)先通行。”
搶先一步,研華發(fā)布TSN交換機
現(xiàn)如今,用戶想要向TSN標準逐步靠攏,不僅需要具備TSN的網(wǎng)關(guān)進行不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,還需要TSN交換機來傳輸和匯聚數(shù)據(jù)。
陳重光表示:“TSN因本身所具備的及時性、低延遲、高速大容量通訊,具備時間戳記、混合IP通訊等多種通訊協(xié)議功能,本領(lǐng)和優(yōu)勢更加顯著。”
在TSN交換機的研發(fā)中,研華搶先一步。于此次會議正式發(fā)布EKI-8500G工業(yè)級TSN以太網(wǎng)交換機,成為當前全球為數(shù)不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機。
EKI-8500G工業(yè)級TSN以太網(wǎng)交換機
該新品區(qū)別于市面上大部分利用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)設(shè)計的TSN交換機,EKI-8500G采用TSN專用芯片設(shè)計,具備8個千兆RJ45端口+ 2個千兆SFP端口,以及雙12〜48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出。
EKI-8500G具備4大核心特色:時間同步、優(yōu)先流量調(diào)度、時間感知整形器、高可靠的冗余資料傳輸。
所謂時間同步(IEEE 802.1AS):在傳統(tǒng)的時間同步通訊架構(gòu)中,設(shè)備之間的時間來源不一,及時性的需求也不一樣,TSN能使時間不同步的設(shè)備共用一個精準的時間來源,這樣的同步機制在半導(dǎo)體制造、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域中,能夠保障機器行云流水的運作。
所謂流量調(diào)度功能(IEEE 802.1Qbu):一般的通訊架構(gòu)中,重要的OT資料出現(xiàn)的時候,也并不會中斷正在傳輸?shù)馁Y料,使得重要訊息被延遲,從而帶來停機損失。TSN的優(yōu)先流量調(diào)度機制可以中斷當前正在傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級資料,禮讓重要資料先行,OT等重要的資訊就不會因此被搶占傳輸資源。
所謂時間感知整形器(IEEE 802.1Qbv):TSN的標準在資料隊列中架設(shè)了時間開關(guān)的閘門,使得實時性資料在固定時間內(nèi)傳輸,不受其他非實時性資料的影響。簡單來說,這個機制是根據(jù)已知且設(shè)定的時間表來進行開關(guān)驅(qū)動。不同于傳統(tǒng)交換機的QOS功能,TSN交換機會對優(yōu)先等級高的數(shù)據(jù)采取預(yù)支、預(yù)留手段,以保障數(shù)據(jù)流通的實時性。
所謂高可靠性的冗余資料傳輸(IEEE 802.1CB):資料在傳輸?shù)臅r候,設(shè)備會生成一份復(fù)制的備份檔案,兩份檔案會走在不同的傳輸路徑上,如果兩者都順利抵達,備份檔就會被自動刪除。如果有一條路徑因故被中斷,另外一條路徑的備份檔仍會抵達終點,確保資料被送到目的地。
除了可以實現(xiàn)以上4大功能外,為應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用場景,新產(chǎn)品體積更小,可在-40~75℃的溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),林玉偉也補充道:“該產(chǎn)品讓資訊傳輸?shù)沫h(huán)境在擁有IT頻寬的同時,具備了OT的精準和穩(wěn)定性!
研華EKI-8510G工業(yè)交換機,為IIOT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來高時效、低延遲,及穩(wěn)定可靠的運行能力。
未來除了交換機產(chǎn)品外,林玉偉也表示研華還會有更多交換機、網(wǎng)關(guān)、配置軟件等TSN關(guān)鍵產(chǎn)品的推出計劃。
那么如果工廠PLC等設(shè)備不支持TSN,要如何解決兼容問題?
林玉偉對此解釋道:“TSN是一個統(tǒng)一的標準,老舊工廠內(nèi)設(shè)備間想要支持TSN,當然還需要借助交換機、網(wǎng)關(guān)、對應(yīng)的軟件等產(chǎn)品。但以PLC為例,作為工廠里最主要的控制器,其技術(shù)匹配度已經(jīng)走在設(shè)備的最前端。在TSN的各種以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)布時,很多PLC廠商都嗅到商機,并積極、大力地推廣,工廠的PLC產(chǎn)品一旦先行,周邊的設(shè)備也一定要跟齊,因此產(chǎn)品設(shè)備的部分,客戶其實并不用擔心,廠商會幫我們解決!
TSN開啟IT和OT融合的新曙光
CLPA中國支部高級工程師楊凱表示:“相對于傳統(tǒng)的CC-Link以及CC-Link IE,CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的。”完全開放的架構(gòu)也是為了方便更多廠商進行合作,以共同建立TSN標準的生態(tài)圈。
據(jù)悉,包括三菱在內(nèi)的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產(chǎn)廠商,現(xiàn)已陸續(xù)推出從PLC、運動控制器到交換機、I/O、伺服、機器人等全線產(chǎn)品。除了CC-Link IE TSN外,Modbus、Profinet、EtherNet/IP等協(xié)議也都紛紛上新,加入TSN的大家庭中。
此外,在全球范圍內(nèi),設(shè)置了多個TSN試驗床,測試床旨在加速推動著技術(shù)落地,幫助TSN在不同行業(yè),尤其是在交通、5G垂直市場應(yīng)用、汽車、半導(dǎo)體等領(lǐng)域施展拳腳。
在本次線上會議上,四位專家不約而同都表現(xiàn)出了對TSN生態(tài)圈的樂觀態(tài)度,認為未來有望在5年內(nèi)建立亞洲TSN生態(tài)圈。
過去,一個新技術(shù)的發(fā)展演進,要先經(jīng)過一連串小規(guī);蛱囟☉(yīng)用的試點,然后再慢慢向全行業(yè)擴散。而TSN技術(shù)不一樣,它像是個含著金鑰匙降臨的新生兒,因為行業(yè)的認可度極高,我們今天所看到的TSN發(fā)展現(xiàn)狀,是多個領(lǐng)域協(xié)會和聯(lián)盟共同推進的結(jié)果。
其實,TSN技術(shù)的未來已經(jīng)到來。
未來,工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)將致力于滿足高可用性和實時通訊的需求。值得欣慰的是,標準組織和獨立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議供應(yīng)商均已達成共識,洞見了這一發(fā)展趨勢的潛力,共同攜手推進TSN這一下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準。借助這股東風(fēng),脫離現(xiàn)有專屬架構(gòu)的限制,落地工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和實現(xiàn)IT、OT融合的宏圖大業(yè)又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的成型與壯大,未來讓新興通訊技術(shù)的基石,墊在每一個IIoT世界探索者的腳下。
關(guān)于研華
研華成立于1983年,以“智能地球的推手”作為企業(yè)品牌愿景,是物聯(lián)網(wǎng)的全球領(lǐng)導(dǎo)廠商。為迎接物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能的大趨勢,研華提出以邊緣智能和WISE-PaaS工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺為核心的物聯(lián)網(wǎng)軟、硬件解決方案,協(xié)助客戶伙伴串接產(chǎn)業(yè)鏈。研華業(yè)務(wù)分布全球26個國家,擁有近8,000名員工,以強大的技術(shù)服務(wù)及營銷網(wǎng)絡(luò),為客戶提供本土化響應(yīng)的便捷服務(wù)。此外,研華積極推進產(chǎn)業(yè)伙伴共創(chuàng),加速AIoT生態(tài)圈布建與發(fā)展。
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