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自動化中的TSN:我們現在處在什么階段?

2021-05-08 來源:EEWORLD

自動化中的TSN:我們現在處在什么階段?


近來,任何從事工業通信的人都會面對時間敏感型網絡(TSN)的話題。TSN必將到來;這只是個時間和方式問題。然而,即使到今天,人們對它在工業通信領域的優勢并不是很清楚。


歷史回顧


以太網在20世紀80年代初被引入辦公領域,并因其驚人的10Mbps的高吞吐量(相對于當時而言)迅速普及。然而,這種以太網對于實時應用來說并不實用,因為它使用被稱為“合用線”的通用介質。在高利用率的情況下容易發生沖突,導致辦公設置問題。


后來隨著以太網的發展,通過引入交換網絡解決了沖突問題。此外,通過服務質量(QoS)引入了以太網數據報文優先級。


對于工業應用,保證低延遲尤為重要。盡管有QoS,但在辦公環境中使用的標準以太網只能保證延遲低至某一點,尤其是在高網絡利用率的情況下。


這源于諸多原因,而主要原因是商用多端口交換機常用的存儲轉發策略和不可能預留帶寬的事實。


存儲轉發意味著交換機在轉發之前要收到完整的數據報文。這在交換機處理方面具有優勢,但也帶來了潛在問題,會對延遲和可靠性產生負面影響:


  • 當數據報文經過交換機時,會按照其長度生成一定的延遲。如果多個交換機級聯,延遲影響會被放大。

  • 由于交換機的存儲容量不是無限的,如果網絡使用過度(流量過多),它可能拒絕數據報文;這意味著可能會丟失數據報文(甚至那些優先級較高的數據報文)。

  • 長數據報文會長時間堵塞端口。


交換機級聯從一開始就給工業環境應用帶來了挑戰。除了用于IT領域中的星型拓撲結構以外,自動化領域也常使用線型、環型和樹型拓撲結構。這些經過調整的拓撲結構大幅降低了以太網安裝的布線要求和成本。因此,在工業應用中,采用直通式策略的雙端口交換機被整合到現場設備中。直通式意味著數據報文在被完全接收前被轉發。


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圖1.以太網幀: 與TSN數據流標識相關的數據字段用綠色表示。

 

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圖2.拓撲結構。


必須保證總是能為高優先級數據報文提供足夠的帶寬(和緩沖區空間)。標準以太網目前還無法做到這一點。


一體適用的技術:工業以太網橫空出世


由于傳統的以太網沒有足夠的帶寬預留功能,自動化領域的專家從2000年就開始著手開發自己的以太網版本。然而,他們選取的開發路徑各不相同。以下方法各有特色:


  • 使用以太網作為現場總線傳輸介質的協議。這些協議要求自己完全控制以太網介質。傳統的TCP/IP通信只能通過現場總線(EtherCAT?和POWERLINK?)或現場總線(Sercos)分配的通道進行搭載。現場總線牢牢掌握著帶寬控制。

  • 通過以太網上的時間分片程序來保證帶寬預留的協議。這里要提一下PROFINET? IRT。IRT支持在運行軟實時或背景流量的相同電纜上進行確定性硬實時數據傳輸。時間片的規劃需要一個精確的傳輸路徑時序模型。

  • 基于共享以太網電纜的協議。這些協議使用QoS并非常適用于工廠自動化和過程自動化應用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得關注的例子。這些協議僅限用于軟實時(周期時間≥1 ms)范圍。


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圖3.時序模型:PHY、電纜和交換機會影響到數據傳輸延遲。使用時隙方法(PROFINET IRT和TSN時間感知整形器(TAS))時必須考慮這一點。


這些標準需要特殊的硬件來支持,因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也是基于嵌入式雙端口直通式交換機的,因此它們在這一點上也不例外。諸如ADI的fido5000之類的靈活、基于硬件的多協議解決方案以精簡的方式解決了這個問題。


步入TSN


借助TSN,業界已經成功開發出符合IEEE 802.1的標準以太網擴展版本,成功地擺脫了過去的限制。因此,ISO七層模型中的標準化第2層現在已經可以向上兼容之前的以太網和硬實時功能。通過802.1AS-rev,TSN還定義了可互操作的統一方法,用于同步網絡中的分布式時鐘。由于通過TSN總能實現“盡力而為”的通信,所以在硬實時應用以及所有其它應用(網絡服務器、SSH等)中,共用電纜成為可能。在這方面,TSN與PROFINET IRT并沒有什么不同,它也提供了相仿的性能。


采用TSN的新增需求是需要更廣泛的網絡配置。集中式或分布式配置均有可能。目前正在討論和實施兼顧兩種類型的配置。未來的發展目標是實現兩種配置機制之間的互操作性。


這一切都再好不過了,TSN的實際優勢到底是什么?


最常見的答案是,它提供了市面上更低成本的網絡接口,并且適用于更廣泛的市場。畢竟,TSN也能用于未來的樓宇自動化和汽車行業中。事實上,預計嵌入式TSN解決方案的市場規模將大大超過所有工業以太網解決方案當前市場的總和。


TSN相較以前的工業以太網方式最大的技術優勢是其可擴展性。與當前的工業網絡不同,TSN并不針對特定的傳輸速率進行定義。TSN可用于100 Mbps,也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。


它還更好地優化拓撲結構,因為現在可以針對各個不同的區段選擇與之相適應的數據速率。無論是1 Gbps、100 Mbps還是10 Mbps,都使用統一的第2層——IEEE802.1/TSN。


統一的網絡基礎設施還有助于相關人員完成建立和維護網絡的任務,因為通過TSN,解決方案現在可以用于自動化以外的其它領域,如建筑、過程和工廠自動化以及能源分配等。


這為我們帶來了下一個優勢,即培訓因素。TSN已經成為許多大學的課題,多數尚處在研究階段。然而,技術和職業學院已經對這個課題表現出極大的興趣。我們可以相當負責任地說,TSN將成為工程師、技術人員和技術工人的必備基本知識。將不再需要針對不同的現場總線進行再培訓。


“棕地”(Brownfield),即現有的協議該怎么辦?


在幾乎所有與TSN相關的工作組中,都會反復出現一個主題:如何同時保障向TSN的過渡和向現有安裝系統(如“棕地”應用)的供給?


在各方面,強調的重點都是旨在讓客戶能夠輕松順利地過渡到TSN。今天,我們可以有把握地說,現有的工業以太網協議不會在一夜之間消失。與之相反,任何人當前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類似普遍的工業以太網協議,他們都可以很有把握地假定,在10年內他們還是能夠使用這些協議運行網絡,并獲得支持和替換部件。


所有工業以太網組織都提供了模型,用來描述現有工廠如何與基于TSN的新設備協同工作。現有工業網絡的接口由網關(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計劃將其完整協議作為第2層用于TSN。


這使得逐步過渡到TSN成為可能。


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圖4.棕地:TSN網絡與PROFINET和EtherCAT相結合。


總之,TSN將在新裝置中隨處可見,并逐漸以島或區段的形式導入至現有裝置中。


然而,伴隨著TSN,工業以太網領域將涌現出新的協議。帶有新傳輸協議PUB/SUB的OPC UA與TSN一起,已被視為傳統協議的競爭對手。對于現場設備的制造商來說,這意味著它們不得不同時支持傳統的工業以太網解決方案以及TSN和新協議。


TSN和ADI公司


ADI公司一年多前收購了工業以太網的領先企業Innovasic,現已成功完成了整合。隨著Innovasic的整合,fido5000系列工業雙端口交換機已被納入ADI公司產品線。該交換機支持所有相關的工業以太網協議,并支持TSN。


利用fido5000,現在就可以將產品規劃過渡至TSN并同時滿足當前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。借助fido5000還將使實現OPC UA PUB/SUB成為可能。借助fido5000,可將TSN規劃為現有系統的一個更新。


fido5000系列仍在不斷增強。我們將提供面向1 Gb應用的新產品,但10 Mb/100 Mb的產品仍將繼續提供,以滿足客戶的要求。


借助fido5000系列提供的靈活性,能夠可靠、高效地執行TSN移植。


TSN是一個機遇


TSN使得為所有工業通信創建一個統一的基礎成為可能。一旦引入TSN,工業應用中的ISO七層模型的第1、2、3層將統一。這有可能使可擴展性和性能達到全新的水平。


基于此,上層通信是否也會標準化?是否有可能出現一個統一的OPC UA PUB/SUB?有可能。利用fido5000系列,用戶能夠為應對所有場景做好準備。


作者簡介


Volker在時間敏感型網絡技術的各種工業應用領域擁有超過30年的豐富經驗。作為一名商用軟件開發人員,Volker為無線和有線應用開發了各種通信協議和堆棧,同時積極參與領先的行業組織的新通信標準制定。聯系方式:volker.goller@analog.com。


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