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TSN和实时以太网数据对工业系统的未来意味着什么?

来源:控制工程网2017.08.01阅读 8213

  工业物联网(IIoT)带来了构建智能系统的良机,通过智能系统可以共享整个企业范围内以及云平台上设备间的数据。随着对工业物联网和工业4.0兴趣的不断增长,越来越多的设计师、工程师和最终用户关注时间敏感网络(TSN),一套由电气与电子工程师协会(IEEE)修订的标准,从而解决以如下方式处理原始数据的需求:及时方式、减少延迟、提高鲁棒性、以及为更先进的加工制造和产品模型提供基础。希望通过TSN,数据可以更加灵活并且可以在各层和控制系统之间共享。
  要想支持一个工业物联网架构的这些新功能并且连接网络设备,就需要一个可互操作的系统,并支持多个制造商、协议和机构在同一个TSN网络上共享。为了做好准备,AVnu联盟选择并认证了一套基础机制来满足目标市场的需求,创建一个通用的架构,使更多企业可以在此架构上实现运营技术(OT)和信息技术(IT)的融合。这种融合提高了工业设备的连接性,并且为包括大数据分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供更快的发展路径。


图1:多种协议可以使用AVnu通用网络服务。
图片来源:AVnu联盟工业小组


  AVnu联盟通过对符合IEEE标准的设备进行一致性与互操作性的认证,使以太网成为一种确定性网络技术,保证网络设备在各应用领域(如专业A/V、汽车、工业控制及消费电子)的互操作性。AVnu组织与其他标准机构、联盟一起,为基于802.1音视频桥接(Audio Video Bridging,AVB)/时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN)标准的确定性网络开拓一条可行路径,便于设计者及工程师在具体产品中应用这些标准。
  那么,TSN对于未来的工业系统到底意味着什么?工业物联网将如何影响工业网络?几位来自AVnu联盟成员的专家分享了自己的看法,他们分别是美国国家仪器仪表公司的首席营销经理Todd Walter,博世力士乐公司的以太网融合总监Ludwig Leurs,Intel公司物联网小组的首席系统工程师Anil Kumar,罗克韦尔自动化公司的业务开发经理Paul Brooks,Ixia 公司的产品专家Bogdan Tenea控制工程网版权所有,以及思科公司的工业架构工程师Paul Didier。
  以太网的进化
  标准以太网经过演变已经可以担负下一代控制系统的通信。基于此,最近由IEEE 802 LAN/MAN标准委员会(LMSC)、互联网工程任务组(IETF)、以及其他标准组进行的工作,已经扩展了在标准以太网络上运行时间敏感系统的能力,并支持各种各样的应用以及包括专业音频/视频、汽车和工业在内的市场。博世力士乐公司的以太网融合总监Ludwig Leurs介绍,这些主要由IEEE 802.1 TSN任务组推动的标准定义了使用标准以太网技术创建分布式的、同步的、实时的系统所需要的新机制,这将允许在同一网络上实现低延迟控制流量和标准以太网流量的收敛。
  TSN通过一条以太网支持实时控制和同步,例如在运动应用和机器人之间。TSN可以同时支持其他在制造业应用中常见的数据通讯,推动IT和OT之间的融合。TSN不是一种具有破坏性的技术,它可以让现有的各种工业实时控制应用共存并互操作,例如正在被OPC基金会最终审核的新的OPC UA 发布/订阅模型。基于AVnu在音频/视频应用方面的成功应用,在使用视频摄像机的现代机器的控制回路中重复使用这项技术是有所帮助的。
  更智能、高效的网络
  随着工业物联网数据导致网络变得越来越拥堵控制工程网版权所有,TSN如何确保数据可以正常通讯进而让工业物联网可以帮助用户?Intel公司物联网小组的首席系统工程师Anil Kumar认为,TSN 将带来一个由更加智能的、虚拟连接的设备以及基础架构构成的世界。尽管很多在工业物联网中由工业传感器和控制系统采集的数据不都是时间敏感的,还有大量关键任务的、时间敏感的数据必须在严格的延迟和可靠性的范围之内传输和共享。
  诸如用于传输时间安排、延迟规定、预留带宽以及冗余配置的通用时钟,这种对于TSN的要求使得TSN能确保时间同步的精度,从而支持多个数据流的同步。来自于机器视觉、3D扫描以及功效分析的大数据组可能为网络带宽造成负担。TSN会使用更高的带宽选项支持全双工标准以太网,这些选项包括1Gb、 10Gb,甚至400Gb版本的IEEE 802.3。它同时也会提供顶级的IT安全规定和互操作性,以及可以成长到大规模系统的扩展性。TSN也可以与现有应用和标准IT数据流整合,而且因为它不断进化,也是不会过时的。


图2:这张图展示了2016年10月在物联网世界大会上的一个时间敏感网络(TSN)测试台。


  具有TSN特性的新一代以太网
  罗克韦尔自动化公司的业务开发经理Paul Brooks认为,TSN的价值源自两个方面:简化收敛以及增加连接性,解锁了实现IIoT所需的关键数据,并促进由大数据分析推动的改进操作。设计人员可以利用来自消费者世界的处理、通讯、软件和系统设计方面的进展,其标准具有在进化中提供精确计时的功能。
  特别对于工业市场来说,这些标准支撑了简化发展和部署分布的、同步的、在各种工业应用中常见的控制系统的能力,这些工业应用包括机器控制、工厂自动化、发电和配电、石油和天然气开采等等。今天的许多控制应用程序使用的仍是非标准网络接口和基础设施部署。对以太网的诸多限制催生了分化过程,并导致包含实时性能的以太网变体的产生,以满足测量和控制应用的需求。这些变体经常改变以太网堆栈的硬件和基础架构组件,从而保障其行为表现。这些改变提供了控制所需要的延迟和预留带宽。不过,因为它们需要修改硬件,所以不能再与标准的以太网进行互操作,也很难接入到网络。
  支持未来的工业系统
  思科公司的工业架构工程师Paul Didier认为,通过TSN,  “ 我们已经为工业制造商们建立了关键的结构单元,目前正在构建使用融合网络支持物联网的设备和应用 ”。这些标准仍然在进化中。未来还需要在如下几方面完成标准:弹性,在多路径网络中不丢包;监督信息流从而进一步保护TSN信息流的能力;抢占,将大数据包拆分以及其他能力。
  除了TSN方面的工作,还需要攻克一些与工业系统直接相关的挑战。在物理层方面,会出现更多的以太网变种:更轻的铜质电缆(例如单股双绞线),更长/更短的距离(10秒到1000秒的米数),以及更多PoE选项控制工程网版权所有,比如为本质安全环境提供的更低能量选项。这可以在更加严峻的工业环境中部署。Paul介绍,在IETF DetNet工作组中,我们在更大的、可扩展的网络上延伸那些TSN的“确定性的”功能,用于处理更大的系统。我们同时也会将TSN引入到标准的、开放的无线网络中。
  所有这些很好地与通用网络中的关键举措相吻合,包括正在进行中的为更多设备带去更高带宽的努力。这里要特别指出的是,推动自动化网络配置和管理也被称为软件定义的网络。
  TSN技术的最新进展
  据Ixia 公司的产品专家Bogdan Tenea介绍,实际上就在去年九月份一个IEEE汽车以太网及IP科技日的活动中,几名AVnu联盟的成员第一次展示了一个被称为抢占(Preemption)的新IEEE TSN标准。当时,来自于Ixia 公司的测试设备证明了互操作性,并且测量了支持这项新技术的原型设备的性能改善。
  抢占(IEEE 802.1 Qbu/802.3Qbr)[本地和城域网的标准——媒介访问控制桥接器以及虚拟桥接修正版的本地局域网:帧抢占] 是IEEE以太网标准的新补充,可以在信息传输的时候让高优先级的帧打断低优先级的帧,最大限度地降低高优先级信息流的延迟。在工业自动化控制系统的应用方面,抢占可以进一步将不同技术的多个网络融合在一个以太网和IP的基础架构里,可以实现自动化操作以及订单控制生产。通过大幅降低低优先级信息流对重要信息流的影响,两种信息流可以混合在同一链路上。
  随着最新一代项目的完成并成为标准的正式部分,越来越多的供应商都表现得更感兴趣。AVnu工业业务部门的主席、美国国家仪器仪表公司首席营销经理Todd Walter介绍,2016年第一批TSN工业产品就可以供用户选择了,其中包括来自于美国国家仪器仪表公司的控制器,Intel公司的TSN芯片www.cechina.cn,以及思科公司的TSN交换机等。
  在2017年,“我们会从多家AVnu成员那里看到更多的产品。” Todd说。基于开放的以太网标准的事实意味着科技的采用得益于所有企业的投资以及赞助该科技的各个品牌,而且并不限于一家公司的商业计划或者他们将如何开发并支撑该科技的未来决定。工业市场内的制造商们受益于AVnu联盟收集的多个行业的经验和网络专家,以此来加快网络化的实施,最终铺设一条进入市场的快车道。
  随着标准和网络持续进化,不断改进时进化的还有AVnu的定义和认证标准基础的工作。这最终会包括诸如帧抢占、冗余、流量限制以及安全等机制。除此以外CONTROL ENGINEERING China版权所有,AVnu所定义的基础会持续支撑额外的功能,包括支持多个IEEE 1588配置文件、规模扩展到非常大的网络架构的指导方针、以及将多个网络聚合/构成一个启用TSN的网络管区。(作者:Emily Guenther)

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