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        2021 IAS展
        工業以太網

        基于TSN的工業以太網賦能,加速工業4.0時代的到來

          2021年04月26日  

          數字化變革正在為工業自動化和工業生產帶來振奮人心的新機遇,通過發展完善的工業大數據網絡體系,工業生產不必限制于單個環節的效率天花板,從而能夠通過更加合理的資源配置,實現效率的提升。然而這一目標卻對未來的工業網絡提出了更高要求:不僅需要承擔傳統的工業控制系統實時通訊,同時還需要承擔大數據采集和傳輸的任務。因此,要想充分發揮數字化變革帶來的優勢,構建一個真正能夠“一網到底”的高帶寬、低延遲的確定性網絡必不可少。

          更確切地說,未來統一的網絡基礎設施要具備確定性通訊能力,保證性能和服務質量能與導致當前自動化孤島現象的各廠商專有協議水平相當,甚至優于專有協議。目前,全球眾多標準組織和供應商正攜手為工業網絡開發全新的統一基礎——時間敏感網絡(Time Sensitive Network,簡稱TSN),高性能半導體技術提供商ADI正是其中一員。

          TSN這樣滿足自動化實時通信需求

          在工廠自動化和驅動技術的背景下,實時意味著周期時間要安全、可靠地達到10毫秒以下(最低至微秒),因此為了滿足自動化的實時要求,需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。但是經典以太網卻不能提供延遲和帶寬保證,相反,如果操作需要,以太網甚至可以隨時丟棄幀,許多問題正是出在這里:

          ? 如果在峰值時間存儲的幀數多于網橋緩沖存儲器可以容納的幀數,則丟棄新傳入的幀。

          ? 由于幀長不同,因此其延遲時間為其長度的函數。這會導致延遲波動(抖動)。

          ? 由于交換機應通過其發送幀的端口可能已經被其他幀完全占用,所以會導致額外的延遲。發送大型以太網幀(1522字節)在100 Mbps速率下大約耗時124μs。

        自動化中的實時通信

          借助TSN,業界已經成功開發出符合IEEE 802.1的標準以太網擴展版本,成功地擺脫了過去的限制。TSN擴展了以太網第2層,納入了實時操作所需的一系列機制:

          ? 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網絡中時鐘的高精度同步問題。

          ? 時間感知整形器 (TAS) 選項使以太網能夠在硬調度模式下運行。有了該選項,就可以在特定時間阻止/釋放QoS模型的一個或多個隊列。

          ? 搶占(穿插快速流量)選項使長幀能夠被分解成更小的部分,從而最大限度地減小優先級更高的幀的延遲。該選項可用于在速率超過100 Mbps時,優化TAS的保護帶或替換TAS。

          ? 復制和消除幀以提高可靠性的選項可用于定義通過網絡的冗余路徑。

          ? 使用軟件定義的網絡意味著幀不再通過目標節點的硬件MAC地址轉發到目的地,而是通過特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的組合轉發。不再自動確定這些幀在網絡中的路由方式,而是由軟件進行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID,具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN流始終只有一個發件人,但可以有多個收件人。

          鑒于現有資源,現在可以用特殊的方式組織TSN流,不再需要丟棄幀?,F在,網橋將其資源用于TSN流的無損轉發。

        以太網幀(其中,與TSN數據流標識相關的部分以綠色表示)

          通過802.1AS-rev,TSN還定義了可互操作的統一方法,用于同步網絡中的分布式時鐘。這些都使得在硬實時應用以及所有其它應用(網絡服務器、SSH等)中,共用電纜成為可能。

          實現既有系統向TSN的低成本過渡

          在各方面,強調的重點都是旨在讓客戶能夠輕松順利地過渡到TSN。今天,我們可以有把握地說,現有的工業以太網協議不會在一夜之間消失。與之相反,任何人當前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類似普遍的工業以太網協議,他們都可以很有把握地假定,在10年內他們還是能夠使用這些協議運行網絡,并獲得支持和替換部件。

        TSN網絡與PROFINET和EtherCAT相結合

          所有工業以太網組織都提供了模型,用來描述現有工廠如何與基于TSN的新設備協同工作?,F有工業網絡的接口由網關(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成,特別是PROFINET和EtherNet/IP計劃將其完整協議作為第2層用于TSN,這使得逐步過渡到TSN成為可能。

          多協議強強聯手,實現更大的普適性

          伴隨著TSN,工業以太網領域也正涌現出新的協議:帶有新傳輸協議PUB/SUB的開放平臺通信統一架構OPC UA與TSN一起,已被視為傳統協議的競爭對手。有人將OPC UA用作應用層,TSN被視為使該協議具有實時能力的手段。但是,這里還有大量的工作要做,傳輸需要新的OPC UA傳輸層(即所謂的OPC UA PUB/SUB協議)。OPC UA通過其地址空間形成通用應用接口,而TSN為標準以太網添加實時能力并實現千兆位數據速度。因此,通過發布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術結合起來是有意義的。

          OPC UA不僅是一種用于連接客戶端和服務器的協議,同樣也是一種信息模型,其優勢在于地址空間。OPC UA非常靈活,允許將現有用戶接口(工業以太網協議的配置文件)映射到OPC UA,因此,現在工業以太網協議中的幾乎每個配置文件在OPC UA地址空間中都有表示,在工業4.0的框架下,OPC UA被視為未來非常有前途的通用語言。相比之下,TSN是IEEE-802.1以太網的擴展,具有完整的一系列新能力,旨在讓以太網更具確定性和實時性。因為預計未來將有眾多制造商生產支持TSN的硬件,所以也可以把它視為實時通信的平民化。幾乎每種協議都可以通過TSN獲得實時能力。

          在此背景下,pub/sub工作組的目的就是在TSN的幫助下,為OPC UA指定一種實時傳輸協議。這將使OPC UA具備實時性,從而可以替代工業以太網協議。它將受到傳統PLC以上層次的熱烈歡迎,因為來自不同制造商的控制器將能與OPC UA實時交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網絡帶寬,因而其魯棒性會比目前所能實現的要更高。

          一顆芯片,支持多種以太網協議

          ADI公司推出的fido5000系列是面向工業以太網應用的實時以太網多協議交換機(REM交換機),能支持當今所有主要工業協議,利用fido5000現在就可以將產品規劃過渡至TSN并同時滿足當前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交換機靈活的架構能夠適應協議未來的變化,并且支持未來的協議及其他發展,借助fido5000還將使實現OPC UA PUB/SUB成為可能。

        fido5000功能概覽

          除了單芯片fido5000,ADI同時還提供基于fido5000電路板級完整解決方案的RapID平臺。RapID平臺實現了所有常見的工業以太網協議,可輕松集成到非以太網現場設備中。這使得現場設備能夠滿足工業4.0應用的要求。常見工業以太網協議的實現均已經過預先認證。RapID平臺另一個有趣的功能是動態集成的Web服務器。通過此功能,它允許用戶很方便得讀取和修改網絡參數,輸入及輸出數據。

        基于fido5000的RapID平臺

          fido5000 REM交換芯片和RapID平臺已經為基于當前工業以太網標準和未來TSN標準的時間關鍵型應用提供了最佳的前提條件。

        標簽:ADI我要反饋
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