利用TSN时间敏感网络技术打造数字化工厂
- 虹科智能自动化
- 3月 28, 2022
- 3:12 下午
推进工业网络IT/OT的融合
在工业自动化和数字化深入发展的工业3.0阶段，生产和管理之间相互关联的金字塔形拓扑结构被重新定义。如图1所示，在金字塔的底层，生产通常由定义输入和输出逻辑的PLC控制。在更高的层面上，SCADA 和工业 MES 生产管理软件从底层的媒介工具接收信息。在金字塔的最高点，ERP类全方面资源管理软件将用于规划企业的整体业务操作。
图1 工业3.0阶段的金字塔示意图
数字化进程的演变基于对 “数据 “的大量使用，并旨在通过对产品和生产的全面了解，获得更大的生产力。这种正全球推进的行业数字化正迫使运营网络（Operational Technologies – OT）和数据网络（Information Technologies – IT）通过网关技术互连。在 OT 和 IT 两个世界中部署的技术通常完全不同，并且通常不可互操作。这种不匹配导致了大量异构设备的出现，这被称为“棕色地带（Brownfield）”。
然而，OT/IT的融合并没有因此而停滞，相反，它提出了一种在链路层使用对OT/IT两个世界都有效的通信技术解决方案。通过这种方式，在同质工厂中实现全对全数据交换拓扑是可行的。如图2所示，在底部靠近生产装置附近放置了一个基于分布式控制的结构，即基于一定的智能和通信能力的输入/输出单元。这种称为 Field I/O 的结构与强大的计算和通信边缘计算设备以及本地服务器连接构成了本地云（Local Cloud）。
图2 工业4.0阶段的支柱示意图
在这种情况下，传统的基于层的通信和网络安全计划不再有效，包括在现场I/O中的单元将直接与应用和服务进行通信，因而需要一个单一的OT与IT互连网络，即所谓的工厂主干网（Factory Backbone）。然而，要从理论走向实践，则需要一种有效的通信技术来支持 OT 流量的实时行为和 IT应用程序所需的大带宽。此外，它必须是安全的，甚至是可互操作的、标准化的和免许可的。而时间敏感网络技术，则是成为这一需求的最佳方案。
时间敏感网络TSN
自1983 年本地计算机网络解决方案被标准化为以太网以来，时间敏感网络便已经从技术和应用层面上得到了发展。虽然它最初的用途是面向本地计算机网络，但以太网技术已经扩展到其他多个领域。事实上，它已成为现场总线的事实标准，并因在工业（Profinet、以太网 IP、Ethercat、Sercos III 等）、电气行业（IEC 61850的高可用性以太网）和汽车行业中的广泛应用而脱颖而出。
过去出现的多种基于以太网的方案解决了以太网在其原始版本中的一个关键缺点：缺乏实时通信支持。由于这些专有解决方案的应用，OT中对确定性的要求已被满足。然而，不同制造商的解决方案缺乏可解释性，限制了最终用户向独特的计算和网络基础设施自由演进的能力。因此，市场需要具有确保长久使用且独立于供应商的标准化技术解决方案。这样的方案将显著降低设备成本和维护工作量，并大大简化数据分析服务、机器学习、MES或ERP等工业软件的集成工作。
从这个意义上说，时间敏感网络任务组定义的 IEEE 标准集在 IEEE 802 上提供确定性通信服务，而这组标准被称为时间敏感网络 (TSN)。目前，原AVB工作组已更名为IEEE TSN 任务组，负责制定与TSN相关的所有标准。TSN技术的基础是时间整形器（Time-Aware Shaper）。该机制旨在将以太网中的通信分为固定持续时间的重复循环，这些循环根据组成网络的节点允许的 TSN 配置分为临时窗口，可以为每个时间窗口配置和分配八个可用的以太网优先级中的一个或多个。时间感知整形器的操作细节在 IEEE 802.1Qbv 标准中被定义。
考虑到这种区分能力，TSN定义了三种基本的流量类型：计划流量、尽力而为流量和预留流量。计划流量适用于硬实时消息，尽力而为流量是对任何其他服务质量指标均不敏感的常规以太网流量，而分配给不同时间窗口且为每个优先级类型设置了预留带宽的消息被视为预留流量。这种特定的带宽预留容量对于具有软实时要求的信息（例如视频流）非常有用。
图3 根据 TSN 流量类型在时间窗口 (Slots) 中的分布
图 3 显示了 TSN 通信的基本时序图。在图3中，每个周期由 2 个插槽组成。计划流量分配给第一个，而尽力而为流量和预留流量则在第二个中并存。典型配置中每个周期需要 8 个插槽，这为定义每个数据流的详细 QoS 参数提供了足够的多功能性。
在TSN技术中，时间感知整形器允许定义每个周期中存在的临时窗口的数量、它们的持续时间和可以传输的流量类型。在这种操作模式下，计划流量具有专用窗口，以保证实时消息通信的确定性行为。尽力而为的流量容纳在每个操作周期的其余临时窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的规定，在 TSN 中优先考虑和优化带宽使用的最重要改进之一是使用基于信用的整形器。
此功能支持对预留流量的管理，这增加了指定流量的优先级，使其比尽力而为流量具有更高的优先级，与计划流量相比具有更低的优先级。通过使用 IEEE 1588 同步协议，解决了在构成 TSN 网络的所有设备之间提供纳秒范围内的临时同步的挑战。由于该技术提供的精度，可以控制通过网络引入的延迟，并根据临时事件获得确定性的以太网解决方案。TSN 中使用的特定IEEE 1588配置文件是IEEE 1588ASrev。
虹科TSN解决方案——RELY-TSN-PCIe板卡
为了便于访问该技术并允许与传统 PC 系统无缝连接 TSN，虹科推出了一种可插入任何 Windows 或 Linux 电脑的 TSN NIC 卡。 该板卡通过为 PC 上的通信提供标准网络接口，并集成了一个4端口 SoC-e TSN Bridge，从而将复杂的技术难题简单化，且不需要在主机上安装任何特殊软件。此外，该方案可以在TSN网络中使用典型的工业应用和软件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。
此桥接器提供 2 个外部端口，允许连接铜缆或光纤 SFP 模块。此外，2 个内部端口可以与主机（PC、服务器、IPC 等）和卡的内部CPU 进行通信。这个嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以从主机 PC 上运行的任何 WEB 浏览器访问该板卡上运行的软件。该方案允许配置和监控网络状态，而无需在 PC 上运行任何特殊软件。RELY-TSN-PCIe 支持使用标准中定义的 YANG 模型进行自动配置。但是，为了便于早期试点的实施，该板卡允许手动 TSN 配置。例如，下方的截图显示了手动将每个流量优先级分配给每个时隙的方法。
根据每个应用程序的要求，有必要在主机 PC 的时钟同步中保持不同级别的精度，以及需要具备控制网络和软件之间信息流的确定性的能力。例如，负责机器人控制的虚拟 PLC 服务需要在控制回路数据设置的严格时间限制内访问实时数据（计划流量）。然而，SCADA 软件在同步要求方面更为宽松，在大多数情况下要求微秒范围内的时基，便足以管理受监督的过程。因此，有必要针对每种情况来分析需要集成哪些技术以满足需求，进而避免不必要地增加整体解决方案的复杂性。从这个意义上说，虹科提供了两种可选的TSN板卡方案。
- 方案1：可以将虹科TSN板卡插入到Linux OS 计算机中。在这种情况下，应用程序、网络和系统的全局同步是可行的。此外，可以在操作系统中使用补丁提供的流量管理和实时操作功能，从而有利于扩大使用的范围并增强整体集成性。
- 方案2：可以将虹科TSN板卡无缝集成到基于不同版本的Windows操作系统的设备中。在这种情况下，虹科TSN板卡被操作系统视为具有多个基于 VLAN 的虚拟接口的标准 NIC 卡。该板卡通常需要管理计划流量、预留流量和尽力而为流量等内容的识别，而这是通过本地VLAN 标记完成的。Synchronization则通过NTP传输到操作系统中，并兼容Windows，因而可以被其他应用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 环境中使用 PTP 协议栈和集成实时中间件。
目前，已有用户使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡来使其PC具备TSN功能，其中的一些例子便是SCADA应用和机器互连。
如上图，在PC1中，计算机托管MTConnect Agent，而该Agent卡通过虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 发送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe负责管理的相应插槽中的流量分配。为了方便实验，项目的GIT中提供的Adapters模拟器可以在不需要真机的情况下使用。
总结
工业 4.0 的演进要求通信的互操作性和简单性，而TSN 是专为满足这些要求而设计的新一代以太网。在每个部门和应用程序中引入 TSN 是一个循序渐进的过程。然而，一些关键行业，如铁路或航空航天，对 TSN 表现出极大的兴趣。虹科致力于提供必要的技术，以最适合客户需求的方式向下一代通信网络发展。从这个意义上说，RELY-TSN-PCIe 卡及其评估套件是开始使用技术的绝佳方式，该方案将简化网络基础设施并真正实现 OT 和 IT 的共存。
如果您想收到有关本文中提出的解决方案的更多详细信息或任何其他查询，请随时通过 info@hkaco.com 与我们联系。
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郭经理
区域销售经理
虹科高级工程师，4年多深厚的电子信息技术基础，2年多的网络项目和设计经验。丰富的项目经验还包括基于互联网技术的网络监护系统的设计，Android APP设计项目，烟雾环境监测系统等等。精通总线设计及开发和嵌入式开发，了解以太网相关协议，已经顺利完成了国内外TSN专家的培训课程，对TSN原理和技术特点非常熟练。
