必将到来的TSN,时间敏感网络驱动工业智能化变革

点击数:463 发布时间:2019-06-19
“任何从事工业通信的人都会面对时间敏感型网络的话题。TSN必将到来,这只是个时间和方式问题。”ADI系统应用工程师Volker E. Goller前不久撰文指出,“然而,即使到今天,人们对它在工业通信领域的优势并不是很清楚。”
必将到来的TSN,时间敏感网络驱动工业智能化变革

近一年多时间,一个陌生的专业词汇频繁进入工程师的屏幕——时间敏感网络(TSN),特别是工业领域技术媒体高频率探讨相关话题。

时间敏感网络是指IEEE 802.1工作组中的 TSN 任务组开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。“任何从事工业通信的人都会面对时间敏感型网络的话题。TSN必将到来,这只是个时间和方式问题。”ADI系统应用工程师Volker E. Goller前不久撰文指出,“然而,即使到今天,人们对它在工业通信领域的优势并不是很清楚。”

工业应用需要满足实时和时间关键性能需求。
工业应用需要满足实时和时间关键性能需求。

时间敏感应用的以太网局限性

通用以太网是以非同步方式工作的,网络中任何设备都可以随时发送数据,因此在数据的传输时间上既不精准也不确定。同时,广播数据或视频等大规模数据的传输,也会因网络负载的增加而导致通讯的延迟甚至瘫痪。因此通用以太网技术仅仅是解决了许多设备共享网络基础设施和数据连接的问题,却并没有很好的实现设备之间实时、确定和可靠的数据传输。

出于对设备控制性能的要求,工业制造领域比较早的意识到了这一点,于是从上世纪末开始,业内多家协议组织分别基于原有的现场总线技术开发出各自的实时工业以太网协议,并将其应用到工业制造现场。

然而,问题也随之而来,这些所谓的工业以太网协议普遍有着相似的用户需求和细分市场,但却相互之间的生态系统却有着极大的差异。用户和制造商在产品设计、制造、运行、诊断,维护和使用过程中的每个环节都需要面临不同的技术方案,例如:芯片、主板、连接器、线缆、软件...等等,这无疑会带来技术实施的复杂性和成本的增加。然而多种以太网协议的并存却恰恰成了这其中的一个巨大障碍,很难想象在制造业现场从信息、控制、传感和执行机构...等各个层面会只使用来自某一家/或一个组织的产品系统和解决方案,而与此同时这些总线系统之间却基本上谈不上有什么兼容性和互操作性。“后来,随着以太网的发展,通过引入交换网络解决了冲突问题。此外,通过服务质量(QoS)引入了以太网数据报文优先级。” Volker道出了行业的解决办法。

复杂的当前工业以太网行业组织机构
复杂的当前工业以太网行业组织机构

此外,在工业制造领域长期以来一直还迫切需要有一种具备时间确定性的通用以太网技术。2006 年,IEEE 802.1 工作组成立 AVB 音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB 任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的:TSN任务组。

“借助TSN,业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本,成功地摆脱了过去的限制。” Volker指出,“ISO七层模型中的标准化第2层现在已经可以向上兼容之前的以太网和硬实时功能。”通过802.1AS-rev,TSN还定义了可互操作的统一方法,用于同步网络中的分布式时钟。由于通过TSN总能实现“尽力而为”的通信,所以在硬实时应用以及所有其它应用(网络服务器、SSH等)中,共用电缆成为可能。“TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同,TSN并不针对特定的传输速率进行定义。TSN可用于100 Mbps,也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。” Volker一句话总结了TSN的应用优势。

布局以太网交换机SoC,fido 5000占TSN应用先机

ADI公司敏感捕捉到时间敏感网络技术的重要性,在2016年果断收购确定性以太网半导体和软件解决方案的领先供应商Innovasic,大力扩充公司确定性以太网技术和专业知识,为高度同步的工业自动化网络及工业物联网提供强大的实时连接。随着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议,成为ADI支持TSN应用的最大技术硬核。

该SoC芯片面向工业以太网应用的实时以太网多协议交换机(REM交换机),能支持当今所有主要工业协议,利用fido5000现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交换机灵活的架构能够适应协议未来的变化,并且支持未来的协议及其他发展,借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。“利用fido5000系列,用户能够为应对所有场景做好准备。” Volker强调到。

一图看清fido5000交换机芯片功能。
一图看清fido5000交换机芯片功能。

REM芯片和处理器之间通过内存总线进行通信,以实现高性能、低延迟/低抖动的工业以太网。内存总线还提供了采用PriorityChannel®技术的主控接口。ADI公司采用软硬件协同设计开发了这一过滤技术。它确保来自以太网的关键数据得到及时处理,而不受协议和网络利用率的影响,因此避免了非时间关键型数据流量的干扰。这意味着,来自实时通道的数据会优先于普通网络数据得到处理。

除了交换功能之外,fido5000还具有强大的定时器控制单元 (TCU)。TCU设计用于实现各种工业以太网协议的同步机制。通过四个专用输出或四个通用输入/输出,可以实现输入捕捉等其他功能,也可以输出任何方波信号。这些端口均直接与同步时间同相。例如,它能以64位分辨率对四个输入端中任何一处的边沿到达加盖时间戳。在输出端,任何数字信号模式都可以与网络时间同步输出。这意味着可以将用户的应用与网络时间同步,周期时间甚至低至不到31.25 ­s。“但fido5000的功能还不仅限于此—该芯片已经为未来做好了准备!fido5000支持时间敏感型网络。未来基于TSN的工业以太网应用的需求将能够满足运动控制或安全等应用非常苛刻的实时要求。”Volker继续强调。

TSN为工业变革提供一个机遇

在工业物联网/工业4.0的背景下,许多工业自动化技术的供应商和制造商都期待独立于制造商的开放式通信平台,制造商期望在系统范围内实现越来越多的自动化流程。因此,自动化必须考虑到IT系统对于开放数据访问的需求,以及工业控制系统的实时要求。支持TSN的交换机芯片方案为实现这个愿望提供了一个可能。

“TSN使得为所有工业通信创建一个统一的基础成为可能。一旦引入TSN,工业应用中的ISO七层模型的第1、2、3层将统一。这有可能使可扩展性和性能达到全新的水平。” Volker表示,“基于此,上层通信是否也会标准化?是否有可能出现一个统一的OPC UA PUB/SUB?有可能。利用fido5000系列,用户能够为应对所有场景做好准备。”