《電子技術(shù)應(yīng)用》
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研華發(fā)布TSN交換機(jī)開啟IT和OT融合新曙光

2020-10-21
來源:中國工控網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 工業(yè)以太網(wǎng) TSN

   隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,不同的場景與應(yīng)用對數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟛灰唬W(wǎng)絡(luò)部署面臨著新的需求和挑戰(zhàn),為了有效解決以太網(wǎng)通訊的不確定問題,實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)通訊,,各大廠商開始大力引入和推廣時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。

  TSN擁有許多傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)的功能,,它的前世今生是什么,?TSN能為IT與OT深度融合帶來哪些契機(jī)?最新的行業(yè)動(dòng)態(tài)又有哪些,?近日,,研華科技聯(lián)合CC-Link協(xié)會通過兩岸連線直播的形式舉辦了在線會議,我們不妨通過這次會議,,來深入了解TSN這一可能成為未來工業(yè)通信統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),。

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  臺北現(xiàn)場:研華IIoT事業(yè)群產(chǎn)品總監(jiān)林玉偉(左3)、CLPA中國臺灣地區(qū)事務(wù)局長 陳重光(左2),;

  上?,F(xiàn)場:研華IIoT事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠(右1)、CLPA中國支部高級工程師 楊凱(右2)

  TSN,,未來已來

  工業(yè)以太網(wǎng)不是一個(gè)新的概念,,在它蓬勃發(fā)展的期間誕生了幾十種通訊協(xié)議。研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群資深開發(fā)經(jīng)理張亦誠表示,,目前工業(yè)領(lǐng)域所使用的通訊協(xié)議形色不一,,每一個(gè)協(xié)議背后也都各自有支持的廠商,雖然單獨(dú)來看都各具優(yōu)勢,,但最大的問題就是彼此不相容,,難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?!罢Z言”不通為實(shí)時(shí)通訊帶來很大難度,,想享受“書同文,車同軌”式的便利,,統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的TSN也就應(yīng)運(yùn)而生,。

  傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在延遲和實(shí)時(shí)控制困難的問題,,傳輸速度無法超過100 Mb/s,擴(kuò)展性也因此受到影響,。不同的通訊協(xié)議只能使用專有的硬軟件,,更是嚴(yán)重限制了用戶使用的靈活性、設(shè)備互操作性,,增加了維護(hù)和運(yùn)營成本,。參與本次會議的4位專家一致認(rèn)為,在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,,企業(yè)亟需最大程度保持敏捷,、靈活,以提高效率和迅速響應(yīng)能力,,TSN的出現(xiàn)正解決了這一問題,。

  CLPA中國支部高級工程師楊凱表示,在目前的工廠網(wǎng)絡(luò)里,,不同的生產(chǎn)線上,,可能會存在例如Profinet、CC-Link等不同的總線協(xié)議,,不同產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)交互和信息化改造始終是用戶的痛點(diǎn),。而傳統(tǒng)的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng),一般采取預(yù)留帶寬的方式來保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,,但可靠性和實(shí)時(shí)性的表現(xiàn)著實(shí)一般,。TSN作為以太網(wǎng)擴(kuò)充的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合傳輸,、打破信息孤島,,以及實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通等方面展現(xiàn)出了前所未有的潛力。

  TSN原本是起源于Ethernet AVB(Audio Video Bridging)的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)格,,它在被賦予了同步時(shí)間,、控制A/V機(jī)器機(jī)能、預(yù)約頻寬等功能后,,由IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)不斷增修,,普及到了工業(yè)、汽車等行業(yè),,并在2012年將其正式改名為TSN,。顯而易見,在未來,,工業(yè)以太網(wǎng)將從個(gè)別規(guī)格向共通網(wǎng)絡(luò)規(guī)格移轉(zhuǎn),。CLPA中國臺灣地區(qū)事務(wù)局長陳重光介紹道,近年來,除了IEEE將該規(guī)格同步到IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格上外,,CC-Link協(xié)會,、PI、OPC UA等開放式網(wǎng)絡(luò)協(xié)會團(tuán)體也正在研討將TSN作為開放型網(wǎng)絡(luò)的適用性,。

  陳重光表示,,目前,TSN的各項(xiàng)征訂規(guī)格的板塊仍在組建當(dāng)中,,作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)常會使用的技術(shù)規(guī)格,,其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定義網(wǎng)絡(luò)上連接機(jī)器的同步時(shí)間;IEEE802.1Qbv將通訊幀分類,,確保優(yōu)先通訊頻寬,;IEEE802.1Qbu則負(fù)責(zé)定義優(yōu)先級的通訊幀,在進(jìn)入優(yōu)先度高的頻寬時(shí)會分割通訊幀,,并讓優(yōu)先度高的優(yōu)先通行,。陳重光解釋道:“在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)下,整體的通訊效率會受到低速通訊幀速度的影響,,在使用TSN技術(shù)時(shí),,就像將公路上的快慢車道實(shí)行分離,讓特定的通訊協(xié)議優(yōu)先通行,?!?/p>

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  針對用戶對TSN使用的顧慮,,研華工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)群產(chǎn)品總監(jiān)林玉偉解釋道:“融合不是為了取代,,所有工廠原有的以太網(wǎng)協(xié)議還是會存在,TSN只是作為一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),,充當(dāng)這些有分歧的協(xié)議的媒介,,其目的都是達(dá)到融合的效果?!?/p>

  搶先一步,,研華發(fā)布TSN交換機(jī)

  現(xiàn)如今,用戶想要向TSN標(biāo)準(zhǔn)逐步靠攏,,不僅需要具備TSN的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行不同協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換,,還需要TSN交換機(jī)來傳輸和匯聚數(shù)據(jù)。陳重光表示:“TSN因本身所具備的及時(shí)性,、低延遲,、高速大容量通訊,具備時(shí)間戳記,、混合IP通訊等多種通訊協(xié)議功能,,本領(lǐng)和優(yōu)勢更加顯著。”這也讓相關(guān)廠商看到了其中無限的商機(jī),。

  在TSN交換機(jī)的研發(fā)中,,研華無疑搶先了一步。在此次會議上,,研華正式發(fā)布了EKI-8500G工業(yè)級TSN以太網(wǎng)交換機(jī),,成為當(dāng)前全球?yàn)閿?shù)不多的采用TSN芯片方案的TSN交換機(jī)。

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  該新品區(qū)別于市面上大部分利用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)設(shè)計(jì)的TSN交換機(jī),,EKI-8500G采用TSN專用芯片設(shè)計(jì),,具備8個(gè)千兆RJ45端口+ 2個(gè)千兆SFP端口,以及雙12?48 VDC電源輸入和1 x繼電器輸出,。林玉偉向大家詳細(xì)介紹了EKI-8500G所具備的4大核心特色:時(shí)間同步,、優(yōu)先流量調(diào)度、時(shí)間感知整形器,、高可靠的冗余資料傳輸,。

  所謂時(shí)間同步(IEEE 802.1AS):在傳統(tǒng)的時(shí)間同步通訊架構(gòu)中,設(shè)備之間的時(shí)間來源不一,,及時(shí)性的需求也不一樣,,TSN能使時(shí)間不同步的設(shè)備共用一個(gè)精準(zhǔn)的時(shí)間來源,這樣的同步機(jī)制在半導(dǎo)體制造,、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域中,,能夠保障機(jī)器行云流水的運(yùn)作。

  所謂流量調(diào)度功能(IEEE 802.1Qbu):一般的通訊架構(gòu)中,,重要的OT資料出現(xiàn)的時(shí)候,,也并不會中斷正在傳輸?shù)馁Y料,使得重要訊息被延遲,,從而帶來停機(jī)損失,。TSN的優(yōu)先流量調(diào)度機(jī)制可以中斷當(dāng)前正在傳輸?shù)牡蛢?yōu)先級資料,禮讓重要資料先行,,OT等重要的資訊就不會因此被搶占傳輸資源,。

  所謂時(shí)間感知整形器(IEEE 802.1Qbv):TSN的標(biāo)準(zhǔn)在資料注列中架設(shè)了時(shí)間開關(guān)的閘門,使得實(shí)時(shí)性資料在固定時(shí)間內(nèi)傳輸,,不受其他非實(shí)時(shí)性資料的影響,。簡單來說,這個(gè)機(jī)制是根據(jù)已知且設(shè)定的時(shí)間表來進(jìn)行開關(guān)驅(qū)動(dòng),。不同于傳統(tǒng)交換機(jī)的QOS功能,,TSN交換機(jī)會對優(yōu)先等級高的數(shù)據(jù)采取預(yù)支、預(yù)留手段,,以保障數(shù)據(jù)流通的實(shí)時(shí)性,。

  所謂高可靠性的冗余資料傳輸(IEEE 802.1CB):資料在傳輸?shù)臅r(shí)候,設(shè)備會生成一份復(fù)制的備份檔案,兩份檔案會走在不同的傳輸路徑上,,如果兩者都順利抵達(dá),,備份檔就會被自動(dòng)刪除。如果有一條路徑因故被中斷,,另外一條路徑的備份檔仍會抵達(dá)終點(diǎn),,確保資料被送到目的地。

  除了可以實(shí)現(xiàn)以上4大功能外,,為應(yīng)對工業(yè)應(yīng)用場景,,新產(chǎn)品體積更小,可在-40~75℃的溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),,林玉偉也補(bǔ)充道:“該產(chǎn)品讓資訊傳輸?shù)沫h(huán)境在擁有IT頻寬的同時(shí),,具備了OT的精準(zhǔn)和穩(wěn)定性?!毖腥AEKI-8510G工業(yè)交換機(jī),,為IIOT工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來高時(shí)效、低延遲,,及穩(wěn)定可靠的運(yùn)行能力,。

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  未來除了交換機(jī)產(chǎn)品外,林玉偉也表示研華還會有更多口數(shù)交換機(jī),、網(wǎng)關(guān),、配置軟件等TSN關(guān)鍵產(chǎn)品的推出計(jì)劃。會議當(dāng)天觀眾互動(dòng)熱烈,,有觀眾在線提出問題:“如果工廠PLC等設(shè)備不支持TSN,,要如何解決兼容問題?”

  林玉偉對此解釋道:“TSN是一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),,老舊工廠內(nèi)設(shè)備間想要支持TSN,,當(dāng)然還需要借助交換機(jī),、網(wǎng)關(guān),、對應(yīng)的軟件等產(chǎn)品。但以PLC為例,,作為工廠里最主要的控制器,,其技術(shù)匹配度已經(jīng)走在設(shè)備的最前端。在TSN的各種以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)布時(shí),,很多PLC廠商都嗅到商機(jī),,并積極、大力地推廣,,工廠的PLC產(chǎn)品一旦先行,,周邊的設(shè)備也一定要跟齊,因此產(chǎn)品設(shè)備的部分,客戶其實(shí)并不用擔(dān)心,,廠商會幫我們解決,。”

  TSN開啟IT和OT融合的新曙光

  當(dāng)然,,除了產(chǎn)品供應(yīng)商的積極研發(fā)外,,為主動(dòng)擁抱TSN的時(shí)代,2019年2月,,CC-Link協(xié)會就發(fā)布了全新的通訊協(xié)議CC-Link IE TSN,。這一舉動(dòng)拓展了CC-Link IE基于工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)從信息層到應(yīng)用層縱向整合的先進(jìn)通信技術(shù)。CLPA中國支部高級工程師楊凱補(bǔ)充道:“相對于傳統(tǒng)的CC-Link以及CC-Link IE,,CC-Link IE TSN在開放性方面是史無前例的,。”完全開放的架構(gòu)也是為了方便更多廠商進(jìn)行合作,,以共同建立TSN標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)圈,。

  據(jù)悉,包括三菱在內(nèi)的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生產(chǎn)廠商,,現(xiàn)已陸續(xù)推出從PLC,、運(yùn)動(dòng)控制器到交換機(jī)、I/O,、伺服,、機(jī)器人等全線產(chǎn)品。除了CC-Link IE TSN外,,Modbus,、Profinet、EtherNet/IP等協(xié)議也都紛紛上新,,加入TSN的大家庭中,。此外,在全球范圍內(nèi),,設(shè)置了多個(gè)TSN試驗(yàn)床,,測試床旨在加速推動(dòng)著技術(shù)落地,幫助TSN在不同行業(yè),,尤其是在交通,、5G垂直市場應(yīng)用、汽車,、半導(dǎo)體等領(lǐng)域施展拳腳,。在本次線上會議上,四位專家不約而同都表現(xiàn)出了對TSN生態(tài)圈的樂觀態(tài)度,,認(rèn)為未來有望在5年內(nèi)建立亞洲TSN生態(tài)圈,。

  在工業(yè)通訊領(lǐng)域,,現(xiàn)場總線技術(shù)從推出到落地大概花了10年時(shí)間,以太網(wǎng)技術(shù)的大規(guī)模運(yùn)用則花了差不多5年,,而新興的TSN則有望在未來的3~5年內(nèi)走向成熟,。對于用戶或廠家來說,開發(fā)產(chǎn)品從立項(xiàng)到研發(fā)量產(chǎn),,再到推向市場也僅再需1~2年的時(shí)間,。楊凱解釋道:“這就好比3G、4G,、5G技術(shù)的迭代,,我們能夠發(fā)現(xiàn),新技術(shù)從推出到落地再到成熟的生命周期,,一直在不斷縮短,。”

  過去,,一個(gè)新技術(shù)的發(fā)展演進(jìn),,要先經(jīng)過一連串小規(guī)模或特定應(yīng)用的試點(diǎn),,然后再慢慢向全行業(yè)擴(kuò)散,。而TSN技術(shù)不一樣,它像是個(gè)含著金鑰匙降臨的新生兒,,因?yàn)樾袠I(yè)的認(rèn)可度極高,,我們今天所看到的TSN發(fā)展現(xiàn)狀,是多個(gè)領(lǐng)域協(xié)會和聯(lián)盟共同推進(jìn)的結(jié)果,。其實(shí),,TSN技術(shù)的未來已經(jīng)到來。對于TSN的發(fā)展前景,,嘉賓分析認(rèn)為業(yè)內(nèi)人士已都信心滿滿,,張亦誠表示:“在國內(nèi)已經(jīng)有大批廠家投入了TSN產(chǎn)品的研發(fā),TSN有望很快席卷全球,?!?/p>

  未來,工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)將致力于滿足高可用性和實(shí)時(shí)通訊的需求,。值得欣慰的是,,標(biāo)準(zhǔn)組織和獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議供應(yīng)商均已達(dá)成共識,,洞見了這一發(fā)展趨勢的潛力,,共同攜手推進(jìn)TSN這一下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。借助這股東風(fēng),,脫離現(xiàn)有專屬架構(gòu)的限制,,落地工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)IT,、OT融合的宏圖大業(yè)又向前大跨了一步。讓我們共同期待TSN產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈的成型與壯大,,未來讓新興通訊技術(shù)的基石,,墊在每一個(gè)IIOT世界探索者的腳下。


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