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率先拥抱TSN——CC-Link发布新一代网络协议CC-Link IE TSN(附详细解读)

作者:www.cechina.cn2019.02.28阅读 4390


  TSN时间敏感网络)是当前工业通信最为热门的主流技术之一,由于TSN标准确保了有实时性要求的周期数据和没实时要求的非周期数据都能够通过标准以太网络设施进行传输,所以TSN也被称为未来的工业通信标准。
  那么对于当前使用最广泛的各类工业以太网来说,今后将何去何从呢?难道TSN会替代全部的实时以太网吗?答案显然是否定的。其实,TSN并不是一种具有破坏性的技术CONTROL ENGINEERING China版权所有,它可以让现有的各种工业实时以太网应用共存并互操作。而且,现在的多数工业以太网技术正在与TSN融合,从而适应未来工业通信的需求。
  这其中,CC-Link走在了前列。
  2月26日,CC-Link协会在北京正式发布了新一代网络协议CC-Link IE TSN,在全球率先将千兆以太网带宽与TSN相结合CONTROL ENGINEERING China版权所有,采用高效的网络协议进一步强化了传统CC-Link IE的性能和功能,拓展了CC-Link IE基于工业以太网实现企业从信息层到应用层纵向整合的先进通信技术,实现了IT和OT的实时无缝融合。
  下面我们就来带您认识一下这个全新的网络协议。
  1 CC-Link IE TSN的开发背景
  当前制造业正在朝着自动化、降低综合成本、提高品质和多品种小批量柔性制造的方向发展,无论是工业4.0还是工业互联网,都有一个共同的目标 : 构建“智能工厂”,即将所有的东西都连接在一起www.cechina.cn,数据得到最充分利用,工厂自动优先生产。 
  创建智能工厂,关键问题在于,从生产过程中收集实时数据,通过边缘计算对其进行初步处理, 然后将其无缝传输到 IT 系统。要充分利用好生产现场数据,能进行高速、稳定的控制信息通信以及向IT系统传输大量信息的网络,是必不可少的。换言之,重点是将生产现场的工业网络与IT网络相结合。

  当今,存在着各种各样的工业网络,包括对交换机、配线等网络构成的要求,也因为需要确保实时性而使用各自不同的规范,所以造成IT系统网络和工业网络之间无法共享同一网络及设备等课题。同时,为了构建智能工厂,要通过装置设备的高性能化,多功能化实现生产 性的提高,此时需要能进行高度运动控制的网络,特别是在半导体、电池制造等行业,需求尤为显著。 
  因此,在现有广泛应用的工业以太网基础上融入用时间分割方式实现实时性的TSN技术www.cechina.cn,成为了发展的必然趋势和迫切需求。CC-Link协会为此在CC-Link IE的基础上推出了CC-Link IE TSN。
  2 CC-Link IE TSN的技术实现
  协议层级:CC-Link IE TSN基于位于OSI参考模型的第2层的TSN技术,在第3~7层,由 CC-Link IE TSN独立的协议和标准的以太网协议构成。 

  TSN由多个国际标准组成,主要标准是 IEEE802.1AS( 定义时间同步方式 ) 和 IEEE802.1Qbv( 定义时间分割方式 )。将这些标准结合后可以确保在既定时间内传输的 定时性,亦可实现多种不同协议的混合通信。 同时,还可以使用基于TCP/IP、UDP/IP的 SNMP、HTTP 和 FTP 等标准以太网协议。
  通信方法:CC-Link IE TSN 更新了循环通信的方式。传统的CC-Link IE使用令牌传送方法,在通过令牌写入自己的数据之后,本站将数据写入的权限转移到下一个站点。 相比之下,CC-Link IE TSN 使用的是时间分割方式,在网络中利用时间的同步,在规定的时间内同时向两个方向传送输入和输出的数据帧,由此缩短了网络整体的循环数 据更新的时间。该方式与TSN技术相结合,保证了在同一网络中控制信息和管理信息的共存。这一点可以理解成从“依次单聊”方式改为“同时群聊”的方式。

  充实配置文件技术:CC-Link协会定义了CSP+(控制和通信系统配置文件),以便更容易地启动、操作和维护CC-Link协议家族兼容产品。通过使用CSP+, CC-Link IE TSN强化了与CANopen 设备配置文件的互操作性。例如,可以使用国际标准IEC61800-7 (CiA402)进行驱动产品的通信设置。
  支持通用网络诊断功能:在CC-Link IE TSN 网络设备的诊断时,可用使用 SLMP(Simple Network Managerment Protocol 简单网络管理协议),其被广泛用于IT网络的监控系统里。CC-Link IE TSN 组件信息和统计信息被定义为扩展 MIB(Managerment Information Base 管理信 息库 ),可以使用通用的 SNMP 工具进行网络诊断。
  3 CC-Link IE TSN的四大主要特点 
  1. 控制信息通信(实时)与管理信息(非实时)通信的融合
  CC-Link IE TSN 通过赋予设备控制循环通信高优先度,相对管理信息通信优先分配带宽,实现使用实时循环通信控制设备,同时还能简单构建与IT系统通信的网络环境。 另外控制工程网版权所有,利用与管理数据通信的共存,可以将使用 UDP 或 TCP 通信的设备连接到同一网络中,比如保存来自视觉传感器、监控摄像头等设备的高精度数据,运用于监控、分析、 诊断等。

  2. 快速的系统设置和先进的预测维护
  CC-Link IE TSN也与SNMP兼容,使网络设备诊断更加容易。迄今为止,不同设备收集状态信息时需要使用不同的工具,现在通过使用通用SNMP监视工具不仅能从CC-Link IE TSN兼容产品,而且还能从交换机、路由器等IP通信设备收集和分析数据。由此, 减少了系统启动时间、或系统管理和维护时确认设备运行状态所花费的时间和精力。 采用TSN规范的时间同步协议,对兼容CC-Link IE TSN的设备之间的时间差进行校准, 使其保持高精度同步。主站和从站中存储的时间信息以微秒为单位保持同步,如果网络 出现异常,进行运行日志解析时,可以按照时间顺序精确跟踪到异常发生时间为止。这 可以帮助识别异常原因并更快恢复网络正常。 另外控制工程网版权所有,它还可以向IT系统提供生产现场状况和准确。

  3. 运动控制性能的最大化,减少节拍时间
  CC-Link IE TSN使用时间分割方式实现周期31.25μs或更少的高速通信性能。在 CC-Link IE TSN 网络系统中,增加传感器或因生产线的扩展增加控制所需的伺服放大器轴数不仅不对总体节拍时间产生影响,而且与使用传统网络的系统相比,甚至大幅度缩短了节拍时间。 CC-Link IE TSN将使用各自不同通信周期的不同性能的设备连接在一起使用。迄今为止, 连接到同一主站的设备必须在整个网络中使用相同的循环通信周期(链接扫描时间),而 CC-Link IE TSN在同一个网络中可以使用多种通信周期。 这使得如伺服放大器之类需要高性能通信周期的设备能保持其性能的同时也能和不需要 高速通信周期 ( 如远程 I/O 设备 ) 连接,此时根据每个产品的特性实施最优化的通信周期。 这还可以最大化发挥网络上从站产品的使用潜能,提高整个系统的生产性。

  4. 为设备供应商提供更多选择
  以往的CC-Link IE为了有效发挥其1 Gbps带宽,设备开发厂商需要使用专用的ASIC 或FPGA的硬件方式开发主站或从站产品。 CC-Link IE TSN对应产品则可以通过硬件或软件平台开发。在延续以往通过使用专用 的ASIC或 FPGA 的硬件方式实现高速控制外,也可以在通用以太网芯片上使用软件协议栈方式开发主站或从站产品。通信速度不仅对应1Gbps,同时也对应100Mbps。 通过提供给设备开发厂商多种方式(硬件或软件)以及通信速度可选(100Mbps或1 Gbps)的实现,设备开发厂商可以选择适合自身的开发方式实现CC-Link IE TSN兼容 设备的开发,同时兼容产品的品种和数量的充实也给用户带来便利。
  据悉,包括三菱在内的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生产厂商,将在2019年春季以后陆续推出从PLC、运动控制器到交换机、I/O、伺服、机器人等全线产品。

  4 CC-Link IE TSN典型应用场景
  1. 控制数据与管理信息通信融合的智能工厂
  在确保控制数据通信的实时性的同时,实现在同一个网络中与其它开放式网络、以及 与IT系统的数据通信,构建起智能化工厂。

  2. 充分使用通用IP通信产品和高性能运动控制的设备
  在以往这个系统中,伺服电机在校对位置时会暂停伺服马达,通过视觉设备精确测量 工件的位置。此时使用了与 CC-Link IE TSN 兼容的伺服放大器和视觉传感器就可以进 行时间同步,即使在伺服马达移动工件的过程中,视觉传感器也能准确地确定工件的 位置。这样就显著减少了节拍时间。 另外控制工程网版权所有,从视觉传感器获得的大量图像数据可以通过IP通信进行传输,这样就可以构建 一个网络系统,既减少布线,又不影响伺服控制性能。

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