工業(yè)以太網(wǎng)是否已為工業(yè)4.0做好準(zhǔn)備(下):TSN給工業(yè)系統(tǒng)帶來(lái)的好處
2020-10-21
來(lái)源:控制工程網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的出現(xiàn),,推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)各部門對(duì)網(wǎng)絡(luò)化,、時(shí)間感知系統(tǒng)的需求。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的發(fā)展,,使得通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)量大大增加,,從而需要管理和傳輸關(guān)鍵和非關(guān)鍵信息的新方法,。
對(duì)可靠性和安全性水平的需求正在增長(zhǎng),工程師正在尋找目前專用和隔離工業(yè)通訊標(biāo)準(zhǔn)的替代品,。最新的IEEE 802.1時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)標(biāo)準(zhǔn)集,,代表了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),旨在滿足這些新的市場(chǎng)需求,。
圖1:TSN標(biāo)準(zhǔn)允許管理網(wǎng)絡(luò)通信以確保性能和數(shù)據(jù)傳遞,。圖片來(lái)源:Avnu Alliance
工業(yè)控制應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)從傳感器到控制器以及執(zhí)行器,一致且確定的數(shù)據(jù)傳輸,。這些元件之間交換的數(shù)據(jù),,對(duì)于控制任何制造過(guò)程都至關(guān)重要,因此必須最大限度地減少對(duì)數(shù)據(jù)交換的干擾或阻礙,。對(duì)于大多數(shù)自動(dòng)化系統(tǒng)而言,,這并不是一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)橐呀?jīng)通過(guò)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)將控制數(shù)據(jù)從信息數(shù)據(jù)中分離出來(lái)了,。
IIoT正在改變這一范式,,因?yàn)橹圃焐炭梢詮目刂七^(guò)程中使用的傳感器和設(shè)備中尋求見(jiàn)解和分析信息。通過(guò)同一網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)總量增加,。某些數(shù)據(jù)對(duì)于控制系統(tǒng)至關(guān)重要,,而其它數(shù)據(jù)對(duì)于信息和分析系統(tǒng)則至關(guān)重要,。
在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中,TSN是確??刂茢?shù)據(jù)流量具有足夠帶寬的一種途徑,,它還允許非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流量在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸。TSN提供了實(shí)現(xiàn)同一物理網(wǎng)絡(luò)上不同數(shù)據(jù)流量匯聚的工具,,從而降低了基礎(chǔ)架構(gòu)的成本,。
控制關(guān)鍵流量
TSN是IEEE引入的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的集合,該標(biāo)準(zhǔn)定義了一組用于管理流量的新機(jī)制,,為以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定義了新功能,,例如流量塑形、幀搶占,、流量調(diào)度,、入口策略和無(wú)縫冗余。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的所有部分都以相同的時(shí)間基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí),,可以根據(jù)計(jì)劃表來(lái)協(xié)調(diào)流量,,該計(jì)劃可以更好地控制關(guān)鍵流量。
這些功能為管理以太網(wǎng)流量提供了新的控制層,。但是,,從業(yè)務(wù)角度來(lái)看,TSN是否值得投資,?在應(yīng)用到復(fù)雜系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中,,如果TSN代表了該標(biāo)準(zhǔn)的另外一層,那么TSN如何能為最終用戶創(chuàng)建一個(gè)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng),?
TSN標(biāo)準(zhǔn)旨在促進(jìn)系統(tǒng)級(jí)配置,,并且在創(chuàng)建時(shí)就從系統(tǒng)的角度,而不是從組件的角度出發(fā),。TSN使終端站可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布需求,,并允許系統(tǒng)中的網(wǎng)橋和交換機(jī)向更廣泛的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布其功能。
例如,,“P802.1Qcc–流預(yù)留協(xié)議(SRP)增強(qiáng)和性能改進(jìn)”規(guī)范是一種機(jī)制,,旨在使網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)在系統(tǒng)級(jí)別上更智能,并傳達(dá)信息以便將控制面板從手動(dòng)配置轉(zhuǎn)換到自動(dòng)化工作流程,。
在這個(gè)未來(lái)的體系結(jié)構(gòu)中(如圖2所示),,可以向用戶提供系統(tǒng)視圖,允許配置輸入/輸出(I/O)和控制設(shè)備,,以及拓?fù)浜突A(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)備的布局,。TSN價(jià)值主張的核心原則是對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行管理,從而確保性能和數(shù)據(jù)傳遞,。為此,,所有設(shè)備都需要通過(guò)發(fā)布或通知系統(tǒng)對(duì)流量的需求及其管理流量的功能,,來(lái)參與流量規(guī)劃。在此示例中,,使用集中式網(wǎng)絡(luò)配置引擎來(lái)配置系統(tǒng),。在分布式模型中,使用數(shù)個(gè)域管理器來(lái)運(yùn)行系統(tǒng),。
圖2:該圖展示了TSN支持的系統(tǒng)層配置,允許配置I/O和控制設(shè)備的拓?fù)洳季帧?/p>
讓系統(tǒng)更智能
在未來(lái),,集中式網(wǎng)絡(luò)配置將成為一種智能工具,,它可以從TSN標(biāo)準(zhǔn)中收集和傳達(dá)信息。它可以計(jì)算出最佳的解決方案,,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中所有連接之間的所有數(shù)據(jù)流量,。系統(tǒng)清楚可用帶寬,并在網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)橋)中配置基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組件,,以容納流量,。如果系統(tǒng)無(wú)法解決滿足性能要求和子網(wǎng)中流量負(fù)載的配置,它將通知用戶,,以便可以修改拓?fù)?、性能要求或?fù)載。
TSN使運(yùn)行計(jì)算成為可能,,這有助于實(shí)現(xiàn)或預(yù)測(cè)給定應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是否成功,。TSN可以使由于操作完整性、實(shí)時(shí)性,、安全性等原因而分開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)融合在一起,。打破關(guān)鍵系統(tǒng)和非關(guān)鍵系統(tǒng)之間的通信障礙,這也是實(shí)現(xiàn)IIoT和工業(yè)4.0的基礎(chǔ),。借助TSN和時(shí)間同步功能,,無(wú)論對(duì)環(huán)境有多苛刻,都可以隨時(shí)隨地從邊緣實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中獲取洞察信息,。選擇TSN可以改變工業(yè)模式,,在平臺(tái)上構(gòu)建一個(gè)更加融合和確定性的網(wǎng)絡(luò),以保護(hù)長(zhǎng)期投資,。TSN及其附屬的智能軟件,,為智能系統(tǒng)提供了配置網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的能力。借助TSN的網(wǎng)絡(luò)智能,,系統(tǒng)將變得更自動(dòng)化,,并且不再需要人工干預(yù)。
工業(yè)中應(yīng)用TSN的好處
由TSN基礎(chǔ)架構(gòu)提供的數(shù)字技術(shù)可以縮短運(yùn)營(yíng)交付周期,,提高系統(tǒng)可見(jiàn)性,,并提高資產(chǎn)利用率,。這些好處可以通過(guò)對(duì)未來(lái)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證來(lái)為進(jìn)一步的改進(jìn)鋪平道路,其中包括:
●易于網(wǎng)絡(luò)配置:現(xiàn)在,,技術(shù)人員必須在常規(guī)網(wǎng)絡(luò)上手動(dòng)配置每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,。TSN可以通過(guò)智能配置工具進(jìn)行自動(dòng)配置。網(wǎng)絡(luò)了解實(shí)現(xiàn)所需性能必須執(zhí)行的動(dòng)作,,并根據(jù)需要打開(kāi)和關(guān)閉特定服務(wù),。TSN所要求的用于全網(wǎng)配置和調(diào)試的標(biāo)準(zhǔn)化方法,也為離線仿真以及網(wǎng)絡(luò)和體系結(jié)構(gòu)建模提供了途徑,。
●安全網(wǎng)絡(luò):安全性對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化和控制網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要,。由于TSN是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng),因此控制網(wǎng)絡(luò)可以利用數(shù)十年來(lái)在以太網(wǎng)內(nèi)發(fā)展起來(lái)的最佳安全實(shí)踐,。TSN還通過(guò)精確的計(jì)時(shí)機(jī)制,,為數(shù)據(jù)添加了一層安全保護(hù),該機(jī)制有助于及早發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)漏洞,。
●降低系統(tǒng)成本:TSN允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上融合不同類型的流量,,從而降低總體系統(tǒng)成本。由于系統(tǒng)需要較少的設(shè)備和電纜,,因此還可降低硬件和維護(hù)成本,。
●未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)功能:TSN是以太網(wǎng)系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分,這意味著該技術(shù)不會(huì)限制帶寬和其它性能標(biāo)準(zhǔn),??梢詫⑿鹿?jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)現(xiàn)新增節(jié)點(diǎn)。
由于這些原因,,TSN成為構(gòu)建未來(lái)智能網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要平臺(tái),。TSN有助于構(gòu)建更加融合和確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),從而保護(hù)企業(yè)的長(zhǎng)期投資,。
(作者:Anil Kumar)