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展望采用时间敏感网络(TSN)的EtherNet/IP的未来

作者:www.cechina.cn2020.01.10阅读 1930

  您如何在关键数据需要到达目的地的确切时刻传送关键数据?对生产效率和产出的日益增长的需求促进了 EtherNet/IP工业以太网的发展,与传统的现场总线相比,工业以太网提供了更高的速度和带宽、更多的网络节点以及改进的诊断能力和更简易的垂直集成。然后创造了诸如 CIP Motion和 CIP Sync之类的网络扩展以解决特定的应用问题,例如在要求更高确定性的定位输送机中使用比例运动控制。当前 IT/OT 融合, 有望通过在现有控制流量之上从网络的 最低层到最高层添加大量诊断数据来再次改变现状。TSN 是一套关于在工业以太网上传输时间 关键型数据的标准,它将为满足时间敏感型应用的需求、实现网络设计灵活性, 以及规划由工 业 4.0 和 IIoT 带来的未来提供实用的选择。通过其成员,ODVA 当前正积极参与 IEEE 60802TSN 协议规范工业自动化行业工作组的活动, 该工作组正在选择将用于工业自动化的 TSN 机制。ODVA 认识到 TSN 的重要性CONTROL ENGINEERING China版权所有,正在组织内部展开工作以使 EtherNet/IP 采用 TSN。
  时间敏感网络——TSN
  工业领域中的TSN将包含一组 IEEE 802.1 标准www.cechina.cn, 称为面向工业自动化的 IEC/IEEE 60802 TSN 协议规范,该协议规范正在筛选和审批中。其目标是在数据链路层创建一套包容性的 TSN 标准,从而提高应用层的网络互操作性。这意味着 EtherNet/IP、PROFINET 和 OPC-UA 流量可以共存于一个网络之中, 并遵循相同的 QoS (服务质量)考量,同时还增加了公共时间和优先级。具 有公共报头和标准化优先级的数据包将使这成为可能。一旦最后完成,通过具有 TSN 功能的网络交换机和桥接设备对特定规则和方法的应用, TSN 即可对工业网络上的时间关键型数据进行优先级排序。

  TSN 时间标准关系图

  
具有TSN功能的EtherNet/IP网络架构


  时钟是关键的 TSN 考虑因素,因为主时间需要由专门指定的设备(称为"主控时钟")进行保存,而其他设备则需要与主时钟同步CONTROL ENGINEERING China版权所有,这与 IEEE 1588 保存时间的方式几乎相同。不支持 TSN 的设备可以在同一网络上使用,但只能是终端站或工程工具设备。TSN 采用 802.1AS,该协议实现点对点时间延迟机制CONTROL ENGINEERING China版权所有, 是 IEEE 1588 精确时间协议的配置文件之一。CIP Sync 采用端到 端时间延迟机制www.cechina.cn,是 IEEE 1588 精确时间协议中的默认配置文件。CIP Sync 的优势在于,不 要求从主时钟到普通时钟的消费时间的路径中的所有设备都能感知时间,如以下时钟系统图所示。CIP Sync 和 TSN 的时间配置文件均足够精确,因此可以满足现在和将来的工业自动化需求,并且可以通过专用设备相互转换。

  点对点和端到端时钟系统


  可以根据用户设置以不同的方式在以太网桥内对数据进行 TSN 优先级排序。下面的 IEEE 802.1Qbv 排队结构图为一示例, 它展示了采用以下一些关键排序机制进行的 TSN 优先级排序:
  ●整形器-例如基于严格的 QoS (服务质量)和信用优先级的整形器。这些算法优先处理高 优先级流量,并确保线路上的公平性。尽管这些机制并不新,但是用于配置它们的共 享语言却是新创的。
  ●抢占-暂停现有的数据包传输以允许具有更高优先级的数据通过。
  ●预排流量-在已配置的基于时间的调度上通过启动或关闭交换机队列来控制流量传输的 能力。
  这些关键的 TSN 优先级排序机制还自带一些辅助技术, 从而帮助提供了一组解决方案,其中包 括:
  ●入口监管-了解并监管某一端口上预期的入口流量,以减少恶意设备或行为异常设备影响整体网络确定性的可能性。
  ●以帧复制和消除提升可靠性-在具有灵活拓扑控制的网状网络中,通过使用在物理上独立的基础架构上的多个虚拟路径来实现第 2 层冗余。

  IEEE 802.1Qbv排队结构


  采用 TSN 的 EtherNet/IP
  有了 TSN 的额外支持,EtherNet/IP 仍将保持被广泛采用、面向对象和多厂商可互操作的网络的主要优势。实际上,由于与其他通信网络可以在以太网上更公平,更轻松地共存,因此互操作性将提升到一个新的水平。此外,高水平的标准化、TCP/IP 的利用以及现成硬件的使用仍将持续。而且,EtherNet/IP 将继续跨多种技术运行, 例如 HTTP、FTP、SNMP 和 DHCP 等, 以更好地将工作单元连接到更广泛的基础架构。即使有了 TSN, ODVA 还将继续致力于支持 CIP Motion 和 CIP Sync 的发展。因此,预计一种新的时间网关功能将允许 CIP Motion 和 CIP Sync 设备跨 TSN 网络进行互操作。


  总结
  以太网更高的速度和带宽、更多的节点数以及改进的诊断功能和更简易的垂直集成, 导致工业网络发生了范式转变,从而为可提高生产能力并缩短工程时间的诸如 EtherNet/IP 之类的解决 方案奠定了基础。要求更高确定性的高度时间敏感的应用需求促进了网络扩展的创立,例如 CIP Motion 和 CIP Sync。由于工业 4.0 和 IIoT,为进行系统分析和预测, 从工厂车间-边缘 设备-云之间来回, 网络正面临着定期向该系统添加大量数据的迫切需求。与现有的网络扩展 一起,通过工业以太网发送时间关键型数据的 TSN 标准是一种务实的方法,可满足高确定性应 用的需求、添加网络设计选项并为 IT 和 OT 融合所带来的未来数据流量的显著增长作出规划。 EtherNet/IP 将继续满足您现在与将来的关键工业通信和控制需求,包括采用 TSN 的高度工程化应用的互操作性和性能保证。
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