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    TSN 時間敏感網絡:推動工業自動化系統架構的變革

    2020-10-21
    來源:中國工控網
    關鍵詞: 工業以太網 TSN

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    數字化變革正在為工業自動化和工業生產帶來振奮人心的新機遇。無論是提高資產利用率,還是從“產品即服務”模式中攫取新商機,這場變革將為您帶來所需的一切。

      然而,要想充分發揮數字化變革帶來的優勢,構建一個融合 IT 和 OT 技術的工業互聯網必不可少。通過連通機器設備、生產車間、企業管理等各層級的工業互聯網,可以實現數據的采集、傳輸、可視化、分析,從而在正確的時機和地點做出正確的決策。

      為此,工業網絡不僅需要承擔傳統的工業控制系統實時通訊,而且還需要承擔大數據采集和傳輸的任務,這就需要一個真正能夠“一網到底”的高帶寬、低延遲的確定性網絡,而傳統的標準以太網和各廠商主導的專有實時以太網均無法滿足這樣的需求。

      更確切地說,未來統一的網絡基礎設施要具備確定性通訊能力,保證性能和服務質量能與導致當前自動化孤島現象的各廠商專有協議水平相當,甚至優于專有協議。令人欣喜的是,全球的一些標準組織和獨立供應商均已認識到互聯互通的潛在益處,正攜手為工業網絡開發全新的統一基礎——時間敏感網絡(Time Sensitive Network,簡稱 TSN)。

      作為工業通訊領域的領先廠商,Moxa 一直在參與 TSN 相關標準的制定以及測試床的建設,而且剛剛正式發布了兩款 TSN 交換機,將 TSN 真正的落地應用又推進了一步。為了了解 TSN 當前在全球的發展現狀和最新進展,TSN 可以為工業用戶帶來哪些具體價值,作為用戶,又該如何構建一個 TSN 網絡?帶著這些問題,我們采訪了 Moxa TSN 中國區產品經理張杰,就 TSN 的熱點問題進行了探討和交流。


      TSN 將推動傳統自動化架構的變革


      CEC問:TSN 是當前工業通訊領域的熱點話題,為什么 TSN 會引起這么多人的關注?

      張杰:TSN 是公認的下一代工業自動化網絡基礎架構之一。顧名思義,時間敏感網絡,在時間上它主要確保了重要的控制信號和數據能在控制系統接受的相應時間范圍內,進行確定性的傳輸。如果我們傳統的工業網絡沒有變革,將受限于網絡的性能,無法將今天工廠里面各類數據都盡數收集,網絡的融合、大的工業互聯網系統構建都沒辦法實現。TSN 是數據的應用結構最大化、效益最大化的一個前提,它突破了以前高性能的實時以太網還是獨有封閉協議的缺點,在標準以太網上實現了高帶寬、確定性傳輸,因此被大家認可。

      第二點,從用戶的層面來講,TSN 也的確解決了許多實實在在的問題。TSN 除了從根本上解決了在標準以太網里,控制系統沒辦法跟整個工廠網絡融合的大問題。對用戶來說,標準統一的網絡設施會讓用戶擁有更多的選擇。因此 TSN 不管是從成本效益,還是從整個工程的實施上都有眾多裨益。


      CEC問:那么 TSN 對工業自動化傳統架構有何影響?又能如何推動工業自動化的變革?

      張杰:在目前的工業自動化普渡模型(Purdue)中,從現場設備層、到控制層、生產管理層、企業管理層呈一個金字塔結構,彼此孤立的專有協議占據著各個層級。然而,這一模型為當前工業網絡的基礎設施帶來了一系列挑戰。雖然獨立的專有協議在自身專業領域的自動化方面優勢明顯,但各協議使用的“語言”不同,為實時通訊帶來很大難度。

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      圖1. 目前的普渡模型

      在這一模型中,傳統工業網絡存在延遲和控制問題,不能“共享線路”,傳輸速度無法超過 100 Mb/s,擴展性也因此受到影響。再者,各應用使用專有硬軟件也會影響互操作性,增加維護和運營成本。最終導致各層間難以實現系統集成和透明可視,對整個價值鏈造成不利影響。

      如今,企業需最大程度保持敏捷靈活、提高效率和迅速響應能力,來保持國際競爭力。這樣就需要利用大數據分析得出的相關洞見,即時滿足客戶需求,以更低成本優化生產。所以來自行業內部的需求,“自動化金字塔”正在向“自主型金字塔”轉型,可實時針對市場和商業環境作出反應。在這一新結構中,彼此孤立的自動化孤島和網絡數據流能通過同一語言和統一的基礎設施相互通訊。

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      圖2. 未來的普渡模型

      而 TSN 的應運而生,使得這一新型自動化架構變得可能。部署 TSN 后,制造商無需再受限于將自身應用困于自動化孤島的專有協議和控制系統。全新的雙向通訊流將超越傳統普渡模型中的水平與垂直隔層,開啟工業應用一體化新時代。


      TSN 將給用戶帶來哪些價值?


      CEC問:在實際應用上,TSN 可以給用戶帶來哪些價值呢?

      張杰:總的來說,在網絡層面,TSN 是對傳統網絡的提升,在安全性、實施確定性、可靠性等性能提升外,客戶還可以實現即插即用。在管理能力層面,用戶只需要明確自己的傳輸需求,網絡就會自動下發需求,實現簡單易用。

      首先,TSN 實現了實時的集中控制。以往,傳統的控制系統是相對封閉的獨立結構,TSN 網絡讓系統在一個大網里,實現微秒級的實時反饋,可以讓支持 TSN 的 I/O 跟主站進行直接的信息交互和控制的反饋,省掉很多中間遠端的控制節點,實現數據的及時回收,部署、管理的效率也都會大大提升。

      第二,TSN 能實現靈活擴展、即插即用。TSN 中的網絡集中配置中心(Center Network Configuration,簡稱 CNC)自動負責了大量的算法工作,用戶不需要具備大量的網絡的專業知識。用戶只需明確要達到的效果,就能夠通過 CNC 自動完成配置下發和應用,整個網絡結構也因此擁有了即插即用的靈活性。

      第三,TSN 實現了統一的網絡和融合的應用。智能制造、大數據都強調橫向和縱向的打通,特別是橫向,想讓各個系統連到一個互通的網絡里。因為有了 TSN,在以前封閉網絡情況下的許多信息故障,如數據延遲、達不到應有的控制效果等問題都將不復存在,真正意義上地把工廠連了起來,提升了整個數據流通運轉的效能,拿到更多的數據,另外也節省整個工廠部署的費用。統一的網絡能夠融合更多的應用,它讓數據流通和應用更加高效,通過數據對產能、質量和能效進行提升。

      在應用層面,TSN 對終端用戶帶來的價值主要是體現在成本上。第一個是設備的成本,在以往的封閉網絡里面,它會有一些綁定的成本:比如說我用了某一個實時的網絡,可能成套的設備都是需要用這一家的,但 TSN 打破這個格局,它會在整個系統效能不變的情況下,更加開放和統一,用戶會有更多的選擇。此外,TSN 會給網絡結構帶來深遠的變革,TSN 不僅減少了冗余設備及運維的成本,集中的控制也減少了網絡運維和建構的成本。


      CEC問:目前 TSN 在全球的發展和推廣看似并不快,實際的情況如何?

      張杰:的確,TSN 的推廣需要一定的時間。TSN 產品在開發過程中會涉及到眾多廠商,廠商各自擁有自己的標準和設計,將多個零部件組合成一個精密物件,需要經歷長時間測試和磨合?,F如今,全球范圍有 4 個典型的測試床,其初衷也是便于廠商聚在一起做設備的調試。只有這些大廠之間先做到互聯互通,才能夠實現 TSN 應用真正的第一步——敢用。

      對用戶來說,沒有人想當小白鼠。而對于產業來看,如果要做大批量的部署,一定要是個成熟的方案。所以,TSN 廠商的設備是不是經過了測試床的驗證,跟各廠聯通的調教和自己技術本身的迭代和演進是否到位,是現階段發展非常關鍵的一點!互通的測試是緩慢的,但也是必須的。

      測試床規模的不斷擴大,也幫助了產品本身不斷完善,促進產品的正式上市和使用。例如國內的工業互聯網產業聯盟(AII)的 TSN 測試床,MOXA 也是第一批參與該測試床的廠商。目前市面上能看到的 TSN 產品也已經越來越多,比如三菱、MOXA 等廠商都已經上市了正式的商用產品。當然,產品商用的成熟,也代表著 TSN 已經到了快速的發展階段。此外,國家現在也有很多的政策試點、一些龍頭的企業,包括未來 5G 的成熟等都會推動 TSN 產業??偟膩碚f,TSN 在國內的發展其實挺快的。


      如何構建一個 TSN 網絡?


      CEC問:對于 TSN 網絡搭建,你有哪些建議?作為一個用戶,如何構建一個 TSN 的系統應用呢?需要從哪里開始?

      張杰:如果用戶是行業的龍頭,我們建議你一定要趕上 TSN 這趟列車,新的技術會給整個自動化帶來變革性的影響,因此企業需要提前做好儲備。但如果中小企業,可以繼續持有觀望態度,等體系再成熟一點再去跟隨。因為 TSN 不是一個網絡設備的問題,它是系統應用級問題。對于構建 TSN 系統來說,理想化的全部替換不太現實,一般都需要經歷一個過程。

      因為 TSN 是基于標準以太網,起初用戶可能要經歷 TSN 系統跟現有系統的共存階段。一個完整的 TSN 平臺,用戶必須要具備和打通許多東西,包括終端設備需要支持 TSN 的硬件和 TSN 的協議,還要有對應的網絡設備、軟件定義和相應的用戶定義界面等,因此對現有網絡改造,用戶可能要先從局部開始。

      舉個例子,比如你現有的系統在數據傳輸等方面總是出問題,或者現系統原本走總線,你希望它實現網絡化,你可以先把它變成 TSN 系統。亦或是,你可以在局部進行網絡改造,因為網絡可以在終端或端口打上 TSN 的標簽,某些程度上也可以實現 TSN 的一些效能,這些都是提升網絡效能的局部修改方向。


      Moxa TSN 產品的最近進展


      CEC問:Moxa 作為工業通訊領域的頭部廠商,目前在 TSN 領域扮演著什么樣的角色?能為客戶帶來哪些價值?

      張杰:Moxa 一直是工業通訊的領導者,基于此前在 TSN 上深耕多年的經驗,參與了四個全球最具影響力的 TSN 互操作測試床項目,擁有大量客戶的溝通驗證,我們也非常了解工業客戶在構建 TSN 系統時會遇到的困難。為履行研發創新工業連接技術和解決方案的承諾,Moxa 與其他行業領導者深入合作,嚴格測試 TSN 的互操作性,努力確保開發部署穩定可靠。作為 OPC 基金會現場級通訊 (FLC) 指導委員會的初始成員之一,Moxa 全力支持將 TSN 等 OPC 統一架構擴展至現場級的倡議。

      我們除了要給市場提供先進可靠穩定的 TSN 的設備和解決方案外,我們也會幫助客戶,如何把 TSN 的系統構建起來,克服這些挑戰。作為設備供應商,我們仍希望在 TSN 這種下一代變革技術上,能夠給用戶提供更多的咨詢價值,能夠幫助他們更好地創造價值。


      CEC問:眾多通訊廠商已經發布了 TSN 的交換機,這些產品已經能夠正式投入使用了嗎?Moxa 在 TSN 產品方面的進展是什么?

      張杰:確實,包括 Moxa 在內目前全球范圍內已經有三家實現量產的 TSN 工業交換機廠家。Moxa 目前在國內已經正式上市了型號為 TSN-G5000 TSN 系列交換機,共有兩款產品,一個是 4 口的,一個是 8 口的,都是全千兆以太網交換機。支持的協議包括 802.1AS(定時和同步)、802.1Qbv(流量調度的增強功能)和 NETCONF/YANG 標準。

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      Moxa TSN-G5000 TSN 系列交換機

      實際上,一些廠家在現階段還有很多測試床的磨合工作要做。只有經歷不斷迭代的成熟產品,才能夠確保在商用的時候,不存在很多的問題,才能真正給客戶帶來價值,我覺得這點也是 TSN 產品能否量產和工業實際應用的關鍵。

      Moxa 的 TSN 交換機并不是簡單地將現成的 TSN 芯片功能集成再嵌入,也不是未成熟的工程機,而是基于豐富行業經驗自主開發,且已經商業化量產的可靠產品。


      CEC問:對于 TSN 的未來應用,您認為有哪些趨勢和前景?

      張杰:目前來看,“室外用 5G,室內用 TSN 是未來工業通訊技術演進的路線和趨勢。未來 5G 會往工業互聯網上延伸,而 TSN 網絡將負責工廠內網,從而打造內外一體的低延遲,高精度可靠網絡。當然,未來 5G 和 TSN 之間的協議層也有望被打通,屆時整個工業互聯網能夠發揮更大的利用價值,也將打開不一樣的世界。


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