基于TSN應(yīng)用于工業(yè)制造的以太網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)正在促進智能制造落地

全球知名咨詢機構(gòu)“羅蘭貝格”在其《擁抱5G新世界》的產(chǎn)業(yè)報告中指出：5G通過強大的無線連接、邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將助力無線自動化控制、工業(yè)云化機器人、預(yù)測性維護、柔性生產(chǎn)等行業(yè)突破，驅(qū)動工業(yè)4.0的真正落地，進一步推動未來工廠的誕生。然而，盡管在技術(shù)性能指標(biāo)上5G可以承載工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同的典型業(yè)務(wù)，但業(yè)界普遍認為5G工業(yè)應(yīng)用仍然存在很多關(guān)鍵問題有待解決，包括：網(wǎng)絡(luò)中斷對于工廠設(shè)備和生產(chǎn)的影響是不可接受的，需要解決安全性和可靠性；傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)采集設(shè)備兼容性存在很多問題，改造難度和成本高；針對工業(yè)應(yīng)用場景的URLLC（超可靠、低時延通信） 0.5ms的上下行時延目標(biāo)難以滿足部分強時間敏感性工業(yè)應(yīng)用的要求；等等。

如果說部署中的5G為工業(yè)智能畫下未來的理想愿景，那么基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）改造大量應(yīng)用于工業(yè)制造的以太網(wǎng)則已經(jīng)就位，相關(guān)技術(shù)正在促成智能制造落地。ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Volker 在兩年前曾撰文指出：“TSN勢不可擋，而唯一有待確認的是什么時候到來以及以什么形式到來。”而今天，各種勢頭顯示落地已經(jīng)進入進行時?！巴ㄟ^與TSN特性相結(jié)合，ADI在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣已經(jīng)實現(xiàn)了最先進的現(xiàn)場設(shè)備通信解決方案?！?ADI中國區(qū)工業(yè)自動化行業(yè)市場部經(jīng)理于常濤（Roger）在前不久的一次行業(yè)交流活動中透露，他提及的先進現(xiàn)場設(shè)備通信解決方案是該公司支持多種以太網(wǎng)協(xié)議交換的fido5000系列交換平臺。

無論是5G還是傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)改造都需要達到工廠間設(shè)備的苛刻性能要求。

從雷聲大到雨聲大，基于以太網(wǎng)的實時通信勢在必行

時間敏感網(wǎng)絡(luò)是指IEEE 802.1工作組中的 TSN 任務(wù)組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級別。該技術(shù)在初期就引起業(yè)界的重視，特別是近兩年來這個曾經(jīng)陌生的專業(yè)詞匯在各種專業(yè)媒體上頻繁出現(xiàn)，成為工業(yè)4.0山雨欲來前的“雷聲陣陣”。

而時間進入2019年，TSN在產(chǎn)業(yè)界則更多的聽到落地的“雨聲”：PROFINET最新規(guī)范V2.4版本發(fā)布，該規(guī)范最大亮點是實現(xiàn)了將TSN作為第二層的技術(shù)集成到PROFINET架構(gòu)中的設(shè)定目標(biāo)；新一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CC-Link IE TSN也差不多同期發(fā)布，在全球率先將千兆以太網(wǎng)帶寬與TSN相結(jié)合，拓展了CC-Link IE基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)企業(yè)從信息層到應(yīng)用層縱向整合的先進通信技術(shù)；而在2019年漢諾威工業(yè)博覽會上，眾多產(chǎn)品演示解決方案都昭示著TSN正在掀起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的浪潮……

于常濤的主題演講：ADI助力加速邁向工業(yè)4.0

隨著各種智能化改造工程的推進，各種傳感器節(jié)點與PLC之間的傳統(tǒng)通信協(xié)議讓位于各種版本的超高速以太網(wǎng)協(xié)議，為工廠操作技術(shù)（OT）基礎(chǔ)設(shè)施與企業(yè)信息技術(shù)（IT）基礎(chǔ)設(shè)施采用基于TSN的以太網(wǎng)高度集成創(chuàng)造了條件。最近幾年，幾乎所有TSN相關(guān)的工作小組都在解決一項課題：確保轉(zhuǎn)移至TSN以及為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供資源，這將是像各種在原有設(shè)施上翻建一樣。

事實上，業(yè)界已經(jīng)基于TSN成功開發(fā)出符合IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)擴展版本，成功地擺脫了過去的限制。TSN相較以前的工業(yè)以太網(wǎng)方式最大的技術(shù)優(yōu)勢是其可擴展性。與當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，TSN并不針對特定的傳輸速率進行定義，TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps?！盀榱酥С诌@種擴展需求，ADI推出的fido5000以太網(wǎng)平臺使系統(tǒng)能從任何一種以太網(wǎng)協(xié)議切換到另一種以太網(wǎng)協(xié)議，而無需重新設(shè)計硬件?！盧oger表示。

硬核支持TSN，以太網(wǎng)協(xié)議交換方案布局工業(yè)未來

作為高性能工業(yè)信號鏈相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵提供商，ADI多年前就敏感捕捉到自動化客戶對高度可靠的同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求，例如支持汽車制造工廠多組機器人在惡劣嘈雜的條件下井然有序地協(xié)同作業(yè)的應(yīng)用環(huán)境。為此，ADI在2016年果斷收購確定性以太網(wǎng)半導(dǎo)體和軟件解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商Innovasic，大力擴充公司確定性以太網(wǎng)技術(shù)和專業(yè)知識，為高度同步的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供強大的實時連接。而彼時，IEEE正在制定全新的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著Innovasic的整合，fido5000系列工業(yè)雙端口交換機已被納入ADI公司產(chǎn)品線。該交換機支持所有相關(guān)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，成為ADI支持TSN應(yīng)用的最強硬核技術(shù)方案。

該SoC芯片面向工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的實時以太網(wǎng)多協(xié)議交換機，能支持當(dāng)今所有主要工業(yè)協(xié)議，利用fido5000現(xiàn)在就可以將產(chǎn)品規(guī)劃過渡至TSN并同時滿足當(dāng)前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等）。交換機靈活的架構(gòu)能夠適應(yīng)協(xié)議未來的變化，并且支持未來的協(xié)議及其他發(fā)展，借助fido5000還將使實現(xiàn)OPC UA PUB/SUB成為可能?！袄胒ido5000系列，用戶能夠為應(yīng)對所有工業(yè)場景做好準(zhǔn)備?！?Roger指出。

fido5000交換機芯片解決主流以太網(wǎng)協(xié)議共存的關(guān)鍵問題。

實時以太網(wǎng)交換芯片和處理器之間通過內(nèi)存總線進行通信，以實現(xiàn)高性能、低延遲/低抖動的工業(yè)以太網(wǎng)。內(nèi)存總線還提供了采用PriorityChannel?技術(shù)的主控接口，ADI采用軟硬件協(xié)同設(shè)計開發(fā)了這一過濾技術(shù)，確保來自以太網(wǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到及時處理，而不受協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)利用率的影響，因此避免了非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流量的干擾。這意味著，來自實時通道的數(shù)據(jù)會優(yōu)先于普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)得到處理。

除了交換功能之外，fido5000還具有強大的定時器控制單元 （TCU）。TCU設(shè)計用于實現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機制。通過四個專用輸出或四個通用輸入/輸出，可以實現(xiàn)輸入捕捉等其他功能，也可以輸出任何方波信號。這些端口均直接與同步時間同相。例如，它能以64位分辨率對四個輸入端中任何一處的邊沿到達加蓋時間戳。在輸出端，任何數(shù)字信號模式都可以與網(wǎng)絡(luò)時間同步輸出。這意味著可以將用戶的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)時間同步，周期時間甚至低至不到31.25μ?s?！暗玣ido5000的功能還不僅限于此—該芯片已經(jīng)為未來做好了準(zhǔn)備！fido5000支持時間敏感型網(wǎng)絡(luò)。未來基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應(yīng)用非常苛刻的實時要求?！?Roger強調(diào)道。

本文總結(jié)：TSN鋪平走向未來工業(yè)之路

作為工業(yè)現(xiàn)場實時通訊需求而生的底層協(xié)議，TSN提供的優(yōu)勢讓IEEE以太網(wǎng)技術(shù)再次與時俱進，滿足了當(dāng)下許多工業(yè)自動化技術(shù)的供應(yīng)商和制造商都期待獨立于制造商的開放式通信平臺從而在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)越來越多的自動化流程。支持TSN的交換機芯片方案為實現(xiàn)這個愿望提供了一種平滑過渡而有效解決方案。