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TSN时间敏感网络:推动工业自动化系统架构的变革

作者:石林才2020.08.17阅读 4309


——访Moxa TSN中国区产品经理张杰

  “ 
  数字化变革正在为工业自动化和工业生产带来振奋人心的新机遇。无论是提高资产利用率,还是从“产品即服务”模式中攫取新商机,这场变革将为您带来所需的一切。
  ”
  然而,要想充分发挥数字化变革带来的优势,构建一个融合IT和OT技术的工业互联网必不可少。通过连通机器设备、生产车间、企业管理等各层级的工业互联网,可以实现数据的采集、传输、可视化、分析,从而在正确的时机和地点做出正确的决策。
  为此,工业网络不仅需要承担传统的工业控制系统实时通讯,而且还需要承担大数据采集和传输的任务,这就需要一个真正能够“一网到底”的高带宽、低延迟的确定性网络,而传统的标准以太网和各厂商主导的专有实时以太网均无法满足这样的需求。
  更确切地说,未来统一的网络基础设施要具备确定性通讯能力,保证性能和服务质量能与导致当前自动化孤岛现象的各厂商专有协议水平相当,甚至优于专有协议。令人欣喜的是,全球的一些标准组织和独立供应商均已认识到互联互通的潜在益处,正携手为工业网络开发全新的统一基础——时间敏感网络(Time Sensitive Network,简称TSN)。
  作为工业通讯领域的领先厂商,Moxa一直在参与TSN相关标准的制定以及测试床的建设,而且刚刚正式发布了两款TSN交换机,将TSN真正的落地应用又推进了一步。为了了解TSN当前在全球的发展现状和最新进展,TSN可以为工业用户带来哪些具体价值,作为用户,又该如何构建一个TSN网络?带着这些问题,我们采访了Moxa TSN中国区产品经理张杰,就TSN的热点问题进行了探讨和交流。

  TSN将推动传统自动化架构的变革
  QUESTION1
  CEC问:TSN是当前工业通讯领域的热点话题,为什么TSN会引起这么多人的关注?
  张杰:TSN是公认的下一代工业自动化网络基础架构之一。顾名思义,时间敏感网络,在时间上它主要确保了重要的控制信号和数据能在控制系统接受的相应时间范围内,进行确定性的传输。如果我们传统的工业网络没有变革,将受限于网络的性能,无法将今天工厂里面各类数据都尽数收集,网络的融合、大的工业互联网系统构建都没办法实现。TSN是数据的应用结构最大化、效益最大化的一个前提,它突破了以前高性能的实时以太网还是独有封闭协议的缺点,在标准以太网上实现了高带宽、确定性传输,因此被大家认可。
  而受广泛关注主要因为,首先行业内所有的利益相关的厂商都共同认可这一标准,这项标准并没有被一家或几家厂商所垄断,而是在电气和电子工程师协会 (IEEE) 等国际组织的主导下制定和发展。所以无论是芯片厂商、还是控制器厂商、工业通讯厂商等都需要积极拥抱TSN,如果这时不跟上未来可能就会被洗牌淘汰。
  第二点,从用户的层面来讲,TSN也的确解决了许多实实在在的问题。TSN除了从根本上解决了在标准以太网里,控制系统没办法跟整个工厂网络融合的大问题。对用户来说CONTROL ENGINEERING China版权所有,标准统一的网络设施会让用户拥有更多的选择。因此TSN不管是从成本效益,还是从整个工程的实施上都有众多裨益。
  QUESTION2
  CEC问:那么TSN对工业自动化传统架构有何影响?又能如何推动工业自动化的变革?
  张杰:在目前的工业自动化普渡模型(Purdue)中,从现场设备层、到控制层、生产管理层、企业管理层呈一个金字塔结构,彼此孤立的专有协议占据着各个层级。然而,这一模型为当前工业网络的基础设施带来了一系列挑战。虽然独立的专有协议在自身专业领域的自动化方面优势明显,但各协议使用的“语言”不同,为实时通讯带来很大难度。

  ▎图1. 目前的普渡模型

  在这一模型中,传统工业网络存在延迟和控制问题,不能“共享线路”,传输速度无法超过 100 Mb/s,扩展性也因此受到影响。再者,各应用使用专有硬软件也会影响互操作性,增加维护和运营成本。最终导致各层间难以实现系统集成和透明可视,对整个价值链造成不利影响。
  如今,企业需最大程度保持敏捷灵活、提高效率和迅速响应能力,来保持国际竞争力。这样就需要利用大数据分析得出的相关洞见,即时满足客户需求,以更低成本优化生产。所以来自行业内部的需求,“自动化金字塔”正在向“自主型金字塔”转型,可实时针对市场和商业环境作出反应。在这一新结构中,彼此孤立的自动化孤岛和网络数据流能通过同一语言和统一的基础设施相互通讯。

  ▎图2. 未来的普渡模型

  而TSN 的应运而生,使得这一新型自动化架构变得可能。部署 TSN 后,制造商无需再受限于将自身应用困于自动化孤岛的专有协议和控制系统。全新的双向通讯流将超越传统普渡模型中的水平与垂直隔层,开启工业应用一体化新时代。
  TSN将给用户带来哪些价值?
  QUESTION3
  CEC问:在实际应用上,TSN可以给用户带来哪些价值呢?
  张杰:总的来说,在网络层面,TSN是对传统网络的提升,在安全性、实施确定性、可靠性等性能提升外,客户还可以实现即插即用。在管理能力层面,用户只需要明确自己的传输需求,网络就会自动下发需求,实现简单易用。
  首先,TSN实现了实时的集中控制。以往,传统的控制系统是相对封闭的独立结构,TSN网络让系统在一个大网里,实现微秒级的实时反馈,可以让支持TSN的I/O跟主站进行直接的信息交互和控制的反馈,省掉很多中间远端的控制节点,实现数据的及时回收,部署、管理的效率也都会大大提升。
  第二,TSN能实现灵活扩展、即插即用。TSN中的网络集中配置中心(Center Network Configuration,简称CNC)自动负责了大量的算法工作,用户不需要具备大量的网络的专业知识。用户只需明确要达到的效果,就能够通过CNC自动完成配置下发和应用,整个网络结构也因此拥有了即插即用的灵活性。
  第三,TSN实现了统一的网络和融合的应用。智能制造、大数据都强调横向和纵向的打通,特别是横向,想让各个系统连到一个互通的网络里。因为有了TSN,在以前封闭网络情况下的许多信息故障,如数据延迟、达不到应有的控制效果等问题都将不复存在,真正意义上地把工厂连了起来www.cechina.cn,提升了整个数据流通运转的效能,拿到更多的数据,另外也节省整个工厂部署的费用。统一的网络能够融合更多的应用,它让数据流通和应用更加高效,通过数据对产能、质量和能效进行提升。
  在应用层面,TSN对终端用户带来的价值主要是体现在成本上。第一个是设备的成本,在以往的封闭网络里面,它会有一些绑定的成本:比如说我用了某一个实时的网络,可能成套的设备都是需要用这一家的,但TSN打破这个格局,它会在整个系统效能不变的情况下,更加开放和统一,用户会有更多的选择。此外,TSN会给网络结构带来深远的变革,TSN不仅减少了冗余设备及运维的成本,集中的控制也减少了网络运维和建构的成本。
  QUESTION4
  CEC问:目前TSN在全球的发展和推广看似并不快,实际的情况如何?
  张杰:的确,TSN的推广需要一定的时间。TSN产品在开发过程中会涉及到众多厂商,厂商各自拥有自己的标准和设计,将多个零部件组合成一个精密物件,需要经历长时间测试和磨合。现如今,全球范围有4个典型的测试床,其初衷也是便于厂商聚在一起做设备的调试。只有这些大厂之间先做到互联互通,才能够实现TSN应用真正的第一步——敢用。
  对用户来说CONTROL ENGINEERING China版权所有,没有人想当小白鼠。而对于产业来看,如果要做大批量的部署,一定要是个成熟的方案。所以,TSN厂商的设备是不是经过了测试床的验证,跟各厂联通的调教和自己技术本身的迭代和演进是否到位,是现阶段发展非常关键的一点!互通的测试是缓慢的,但也是必须的。
  测试床规模的不断扩大,也帮助了产品本身不断完善,促进产品的正式上市和使用。例如国内的工业互联网产业联盟(AII)的TSN测试床,MOXA也是第一批参与该测试床的厂商。目前市面上能看到的TSN产品也已经越来越多,比如三菱、MOXA等厂商都已经上市了正式的商用产品。当然,产品商用的成熟,也代表着TSN已经到了快速的发展阶段。此外,国家现在也有很多的政策试点、一些龙头的企业,包括未来5G的成熟等都会推动TSN产业。总的来说,TSN在国内的发展其实挺快的。
  如何构建一个TSN网络?
  QUESTION5
  CEC问:对于TSN网络搭建,你有哪些建议?作为一个用户,如何构建一个TSN的系统应用呢?需要从哪里开始?
  张杰:如果用户是行业的龙头,我们建议你一定要赶上TSN这趟列车,新的技术会给整个自动化带来变革性的影响,因此企业需要提前做好储备。但如果中小企业,可以继续持有观望态度,等体系再成熟一点再去跟随。因为TSN不是一个网络设备的问题,它是系统应用级问题。对于构建TSN系统来说,理想化的全部替换不太现实,一般都需要经历一个过程。
  因为TSN是基于标准以太网,起初用户可能要经历TSN系统跟现有系统的共存阶段。一个完整的TSN平台,用户必须要具备和打通许多东西,包括终端设备需要支持TSN的硬件和TSN的协议,还要有对应的网络设备、软件定义和相应的用户定义界面等,因此对现有网络改造,用户可能要先从局部开始。
  举个例子,比如你现有的系统在数据传输等方面总是出问题,或者现系统原本走总线www.cechina.cn,你希望它实现网络化,你可以先把它变成TSN系统。亦或是,你可以在局部进行网络改造,因为网络可以在终端或端口打上TSN的标签,某些程度上也可以实现TSN的一些效能,这些都是提升网络效能的局部修改方向。
  Moxa TSN产品的最近进展
  QUESTION6
  CEC问:Moxa 作为工业通讯领域的头部厂商,目前在TSN领域扮演着什么样的角色?能为客户带来哪些价值?
  张杰:Moxa一直是工业通讯的领导者,基于此前在TSN上深耕多年的经验,参与了四个全球最具影响力的TSN互操作测试床项目,拥有大量客户的沟通验证,我们也非常了解工业客户在构建TSN系统时会遇到的困难。为履行研发创新工业连接技术和解决方案的承诺,Moxa 与其他行业领导者深入合作,严格测试TSN的互操作性,努力确保开发部署稳定可靠。作为 OPC 基金会现场级通讯 (FLC) 指导委员会的初始成员之一,Moxa 全力支持将TSN 等 OPC 统一架构扩展至现场级的倡议。
  我们除了要给市场提供先进可靠稳定的TSN的设备和解决方案外控制工程网版权所有,我们也会帮助客户,如何把TSN的系统构建起来,克服这些挑战。作为设备供应商,我们仍希望在TSN这种下一代变革技术上,能够给用户提供更多的咨询价值,能够帮助他们更好地创造价值。
  QUESTION7
  CEC问:众多通讯厂商已经发布了TSN的交换机,这些产品已经能够正式投入使用了吗?Moxa在TSN产品方面的进展是什么?
  张杰:确实,包括Moxa在内目前全球范围内已经有三家实现量产的TSN工业交换机厂家。Moxa目前在国内已经正式上市了型号为TSN-G5000 TSN系列交换机,共有两款产品,一个是4口的,一个是8口的,都是全千兆以太网交换机。支持的协议包括802.1AS(定时和同步)、802.1Qbv(流量调度的增强功能)和NETCONF/YANG标准。

  ▎Moxa TSN-G5000 TSN系列交换机

  实际上,一些厂家在现阶段还有很多测试床的磨合工作要做。只有经历不断迭代的成熟产品,才能够确保在商用的时候,不存在很多的问题,才能真正给客户带来价值,我觉得这点也是TSN产品能否量产和工业实际应用的关键。
  Moxa 的TSN交换机并不是简单地将现成的TSN芯片功能集成再嵌入,也不是未成熟的工程机,而是基于丰富行业经验自主开发www.cechina.cn,且已经商业化量产的可靠产品。
  QUESTION8
  CEC问:对于TSN的未来应用,您认为有哪些趋势和前景?
  张杰:目前来看,“室外用5G,室内用TSN用是未来工业通讯技术演进的路线和趋势。未来5G会往工业互联网上延伸,而TSN 网络将负责工厂内网,从而打造内外一体的低延迟,高精度可靠网络。当然,未来5G和TSN之间的协议层也有望被打通,届时整个工业互联网能够发挥更大的利用价值,也将打开不一样的世界。
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