物联网

主动化中的TSN:咱咱咱们如今处在什么阶段?

2025China.cn   >2019年05月17日

  近来,任何从事工业通讯的人都邑面对光阴敏感型网络(TSN)的话题。TSN势必到来;这只是个光阴和办法成就。然而,即使到本日,人咱咱们对它在工业通讯领域的优势并不是很清楚。

  历史回想

  以太网在20世纪80年月初被引入办公领域,并因其惊人的10Mbps的高吞吐量(相对付其时而言)敏捷普及。然而,这种以太网对付实时应用来说并不适用,因为它应用被称为“合用线”的通用介质。在高利用率的环境下容易发生抵触,导致办公设置成就。

  后来跟着以太网的睁开,颠末过程引入交换网络解决了抵触成就。别的,颠末过程效劳品德(QoS)引入了以太网数据报文优先级。

  对付工业应用,包管低延迟尤为重要。尽管有QoS,但在办公环境中应用的模范以太网只能包管延迟低至某一点,分外是在高网络利用率的环境下。

  这源于诸多原因,而重要原因是商用多端口交换机常用的存储转发计谋和不行能预留带宽的事实。

  存储转发意味着交换机在转发之前要收到完备的数据报文。这在交换机处理方面具有优势,但也带来了潜在成就,会对延迟和靠得住性发生负面影响:

  ● 当数据报文颠末交换机时,会按照其长度天生一定的延迟。如果多个交换机级联,延迟影响会被放大。

  ● 因为交换机的存储容量不是无穷的,如果网络应用过度(流量过量),它可能拒绝数据报文;这意味着可能会丢失数据报文(甚至那些优先级较高的数据报文)。

  ● 长数据报文会长光阴堵塞端口。

  换机级联从一开端就给工业环境应用带来了挑衅。除了用于IT领域中的星型拓扑布局以外,主动化领域也常应用线型、环型和树型拓扑布局。这些颠末调剂的拓扑布局大幅低落了以太网装配的布线请求和本钱。因此,在工业应用中,采纳直通式计谋的双端口换机被整合到现场设备中。直通式意味着数据报文在被完全接收前被转发。

  图1.以太网帧: 与TSN数据流标识相干的数据字段用绿色表示。

  图2.拓扑布局。

  必需包管老是能为高优先级数据报文供给足够的带宽(和缓冲区空间)。模范以太网目前还无法做到这一点。

  一体适用的技术:工业以太网横空出世

  因为传统的以太网没有足够的带宽预留功效,主动化领域的专家从2000年就开端着手开拓自己的以太网版本。然而,他咱咱们选取的开拓门路各不相同。如下办法各有特色:

  ● 应用以太网作为现场总线传输介质的协定。这些协定请求自己完全节制以太网介质。传统的TCP/IP通讯只能颠末过程现场总线(EtherCAT?和POWERLINK?)或现场总线(Sercos)分派的通道停止搭载。现场总线紧紧控制着带宽节制。

  ● 颠末过程以太网上的光阴分片程序来包管带宽预留的协定。这里要提一下PROFINET? IRT。IRT支撑在运行软实时或配景流量的相同电缆上停止确定性硬实时数据传输。光阴片的计划必要一个精确的传输门路时序模子。

  ● 基于同享以太网电缆的协定。这些协定应用QoS并非常适用于工场主动化和过程主动化应用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得存眷的例子。这些协定仅限用于软实时(周期光阴≥1 ms)规模。

  图3.时序模子:PHY、电缆和交换机遇影响到数据传输延迟。应用时隙办法(PROFINET IRT和TSN光阴感知整形器(TAS))时必需考虑这一点。

  这些模范必要特别的硬件来支撑,因此必要应用特别的ASIC。因为PROFINET RT和EtherNet/IP?也是基于嵌入式双端口直通式交换机的,因此它咱咱们在这一点上也不例外。诸如ADI的fido5000之类的机动、基于硬件的多协定解决计划以精简的办法解决了这个成就。

  步入TSN

  借助TSN,业界已经胜利开拓出相符IEEE 802.1的模范以太网扩大版本,胜利地摆脱了曩昔的限制。因此,ISO七层模子中的模范化第2层如今已经可以或许或许向上兼容之前的以太网和硬实时功效。颠末过程802.1AS-rev,TSN还定义了可互操纵的同一办法,用于同步网络中的散布式时钟。因为颠末过程TSN总能实现“尽力而为”的通讯,所以在硬实时应用和统统其它应用(网络效劳器、SSH等)中,共用电缆成为可能。在这方面,TSN与PROFINET IRT并没有什么分歧,它也供给了相仿的机能。

  采纳TSN的新增需如果必要更普遍的网络设置设备摆设。会合式或散布式设置设备摆设均有可能。目前正在讨论和实行兼顾两种范例的设置设备摆设。未来的睁开偏向是实现两种设置设备摆设机制之间的互操纵性。

  这统统都再好不过了,TSN的实际优势到底是什么?

  最常见的谜底是,它供给了市面上更低本钱的网络接口,而且适用于更普遍的市场。毕竟,TSN也能用于未来的楼宇主动化和汽车行业中。事实上,估计嵌入式TSN解决计划的市场规模将大大超过统统工业以太网解决计划以后市场的总和。

  TSN相较曩昔的工业以太网办法最大的技术优势是其可扩大性。与以后的工业网络分歧,TSN并不针对特定的传输速率停止定义。TSN可用于100 Mbps,也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

  它还更好地优化拓扑布局,因为如今可以或许针对各个分歧的区段抉择与之相顺应的数据速率。不管是1 Gbps、100 Mbps还是10 Mbps,都应用同一的第2层——IEEE802.1/TSN。

  同一的网络基础举动措施另有助于相干职员实现树立和掩护网络的任务,因为颠末过程TSN,解决计划如今可以或许或许用于主动化以外的其它领域,如修建、过程和工场主动化和能源分派等。

  这为咱咱咱们带来了下一个优势,即培训因素。TSN已经成为很多大学的课题,多数尚处在研究阶段。然而,技术和职业学院已经对这个课题表示出极大的兴趣。咱咱咱们可以或许或许相备喝挝竦厮,TSN将成为工程师、技术职员和技术工人的必备基本知识。将不再必要针对分歧的现场总线停止再培训。

  “棕地”(Brownfield),即现有的协定该怎么办?

  在几乎统统与TSN相干的工作组中,都邑反复出现一个主题:如何同时包管向TSN的过渡和向现有装配体系(如“棕地”应用)的供給?

  在各方面,夸大的重点都是旨在让客户可以或许轻松顺遂地过渡到TSN。本日,咱咱咱们可以或许有控制地说,现有的工业以太网协定换在一夜之间消失。与之相反,任何人以后正在应用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协定,他咱咱们都可以或许很有控制地假定,在10年内他咱咱们还是可以或许应用这些协定运行网络,并获得支撑和替换部件。

  统统工业以太网构造都供给了模子,用来描述现有工场如何与基于TSN的新设备协同工作。现有工业网络的接口由网关(Sercos)、带耦合器(EtherCAT)或没有任何分外硬件(PROFINET RT)的接口构成。分外是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完备协定作为第2层用于TSN。

  这使得逐渐过渡到TSN成为可能。

  图4.棕地:TSN网络与PROFINET和EtherCAT相结合。

  总之,TSN将在新装配中随处可见,并逐渐以岛或区段的情势导入至现有装配中。

  然而,伴跟着TSN,工业以太网领域将涌现出新的协定。带有新传输协定PUB/SUB的OPC UA与TSN一路,已被视为传统协定的竞争敌手。对付现场设备的制作商来说,这意味着它咱咱们不得歧时支撑传统的工业以太网解决计划和TSN和新协定。

  TSN和ADI公司

  ADI公司一年多前收买了工业以太网的抢先企业Innovasic,现已胜利实现为了整合。跟着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口换机已被纳入ADI公司产品线。该换机支撑统统相干的工业以太网协定,并支撑TSN。

  利用fido5000,如今就可以或许或许将产品计划过渡至TSN并同时满意以后需要(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。借助fido5000,可将TSN计划为现有体系的一个更新。

  fido5000系列仍在赓续增强。咱咱咱们将供给面向1 Gb应用的新产品,但10 Mb/100 Mb的产品仍将持续供给,以满意客户的请求。

  借助fido5000系列供给的机动性,可以或许或许靠得 ⒏咝У芈男蠺SN移植。

  TSN是一个机遇

  TSN使得为统统工业通讯创建一个同一的基础成为可能。一旦引入TSN,工业应用中的ISO七层模子的第1、2、3层将同一。这有可能使可扩大性和机能到达全新的程度。

  基于此,上层通讯是否也会模范化?是否有可能出现一个同一的OPC UA PUB/SUB?有可能。利用fido5000系列,用户可以或许或许为应对统统场景做好准备。

  作者简介

  Volker在光阴敏感型网络技术的各种工业应用领域拥有超过30年的丰富经验。作为一名商用软件开拓职员,Volker为无线和有线应用开拓了各种通讯协定和堆栈,同时积极介入抢先的行业构造的新通讯模范制定。

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