5G畫下智能制造的未來愿景,TSN正在驅動工業智能當前產業落地

發布時間:2019年07月30日 10:07    發布者:eechina
關鍵詞: TSN , 時間敏感網絡 , 智能制造
全球知名咨詢機構“羅蘭貝格”在其《擁抱5G新世界》的產業報告中指出:5G通過強大的無線連接、邊緣計算和網絡切片技術,將助力無線自動化控制、工業云化機器人、預測性維護、柔性生產等行業突破,驅動工業4.0的真正落地,進一步推動未來工廠的誕生。然而,盡管在技術性能指標上5G可以承載工業網絡不同的典型業務,但業界普遍認為5G工業應用仍然存在很多關鍵問題有待解決,包括:網絡中斷對于工廠設備和生產的影響是不可接受的,需要解決安全性和可靠性;傳統生產設備的現場總線和數據采集設備兼容性存在很多問題,改造難度和成本高;針對工業應用場景的URLLC(超可靠、低時延通信) 0.5ms的上下行時延目標難以滿足部分強時間敏感性工業應用的要求;等等。

如果說部署中的5G為工業智能畫下未來的理想愿景,那么基于時間敏感網絡(TSN)改造大量應用于工業制造的以太網則已經就位,相關技術正在促成智能制造落地。ADI系統應用工程師Volker 在兩年前曾撰文指出:“TSN勢不可擋,而唯一有待確認的是什么時候到來以及以什么形式到來。”而今天,各種勢頭顯示落地已經進入進行時。“通過與TSN特性相結合,ADI在工業網絡邊緣已經實現了最先進的現場設備通信解決方案。” ADI中國區工業自動化行業市場部經理于常濤(Roger)在前不久的一次行業交流活動中透露,他提及的先進現場設備通信解決方案是該公司支持多種以太網協議交換的fido5000系列交換平臺。

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無論是5G還是傳統工業以太網改造都需要達到工廠間設備的苛刻性能要求。

從雷聲大到雨聲大,基于以太網的實時通信勢在必行

時間敏感網絡是指IEEE 802.1工作組中的 TSN 任務組開發的一套協議標準。該標準定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制,為標準以太網增加了確定性和可靠性,以確保以太網能夠為關鍵數據的傳輸提供穩定一致的服務級別。該技術在初期就引起業界的重視,特別是近兩年來這個曾經陌生的專業詞匯在各種專業媒體上頻繁出現,成為工業4.0山雨欲來前的“雷聲陣陣”。

而時間進入2019年,TSN在產業界則更多的聽到落地的“雨聲”:PROFINET最新規范V2.4版本發布,該規范最大亮點是實現了將TSN作為第二層的技術集成到PROFINET架構中的設定目標;新一代網絡協議CC-Link IE TSN也差不多同期發布,在全球率先將千兆以太網帶寬與TSN相結合,拓展了CC-Link IE基于工業以太網實現企業從信息層到應用層縱向整合的先進通信技術;而在2019年漢諾威工業博覽會上,眾多產品演示解決方案都昭示著TSN正在掀起工業互聯網的浪潮……

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于常濤的主題演講:ADI助力加速邁向工業4.0

隨著各種智能化改造工程的推進,各種傳感器節點與PLC之間的傳統通信協議讓位于各種版本的超高速以太網協議,為工廠操作技術(OT)基礎設施與企業信息技術(IT)基礎設施采用基于TSN的以太網高度集成創造了條件。最近幾年,幾乎所有TSN相關的工作小組都在解決一項課題:確保轉移至TSN以及為現有網絡提供資源,這將是像各種在原有設施上翻建一樣。

事實上,業界已經基于TSN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。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。“為了支持這種擴展需求,ADI推出的fido5000以太網平臺使系統能從任何一種以太網協議切換到另一種以太網協議,而無需重新設計硬件。”Roger表示。

硬核支持TSN,以太網協議交換方案布局工業未來

作為高性能工業信號鏈相關技術的關鍵提供商,ADI多年前就敏感捕捉到自動化客戶對高度可靠的同步網絡技術的需求,例如支持汽車制造工廠多組機器人在惡劣嘈雜的條件下井然有序地協同作業的應用環境。為此,ADI在2016年果斷收購確定性以太網半導體和軟件解決方案的領先供應商Innovasic,大力擴充公司確定性以太網技術和專業知識,為高度同步的工業自動化網絡及工業物聯網提供強大的實時連接。而彼時,IEEE正在制定全新的時間敏感型網絡標準。

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,成為ADI支持TSN應用的最強硬核技術方案。

SoC芯片面向工業以太網應用的實時以太網多協議交換機,能支持當今所有主要工業協議,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)。交換機靈活的架構能夠適應協議未來的變化,并且支持未來的協議及其他發展,借助fido5000還將使實現OPC UA PUB/SUB成為可能。“利用fido5000系列,用戶能夠為應對所有工業場景做好準備。” Roger指出。

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fido5000交換機芯片解決主流以太網協議共存的關鍵問題。

實時以太網交換芯片和處理器之間通過內存總線進行通信,以實現高性能、低延遲/低抖動的工業以太網。內存總線還提供了采用PriorityChannel®技術的主控接口,ADI采用軟硬件協同設計開發了這一過濾技術,確保來自以太網的關鍵數據得到及時處理,而不受協議和網絡利用率的影響,因此避免了非時間關鍵型數據流量的干擾。這意味著,來自實時通道的數據會優先于普通網絡數據得到處理。

除了交換功能之外,fido5000還具有強大的定時器控制單元 (TCU)。TCU設計用于實現各種工業以太網協議的同步機制。通過四個專用輸出或四個通用輸入/輸出,可以實現輸入捕捉等其他功能,也可以輸出任何方波信號。這些端口均直接與同步時間同相。例如,它能以64位分辨率對四個輸入端中任何一處的邊沿到達加蓋時間戳。在輸出端,任何數字信號模式都可以與網絡時間同步輸出。這意味著可以將用戶的應用與網絡時間同步,周期時間甚至低至不到31.25μ¬s。“但fido5000的功能還不僅限于此—該芯片已經為未來做好了準備!fido5000支持時間敏感型網絡。未來基于TSN的工業以太網應用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應用非常苛刻的實時要求。” Roger強調道。

本文總結:TSN鋪平走向未來工業之路
作為工業現場實時通訊需求而生的底層協議,TSN提供的優勢讓IEEE以太網技術再次與時俱進,滿足了當下許多工業自動化技術的供應商和制造商都期待獨立于制造商的開放式通信平臺從而在系統范圍內實現越來越多的自動化流程。支持TSN的交換機芯片方案為實現這個愿望提供了一種平滑過渡而有效解決方案。
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