自動(dòng)化中的TSN將何時(shí)以及以何種形式出現(xiàn)

如今，任何從事工業(yè)通信工作的人都必然會(huì)遇到時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的話題。TSN一定會(huì)來;唯一需要澄清的是它將何時(shí)以及以何種形式出現(xiàn)。然而，即使在今天，它在工業(yè)通信方面的優(yōu)勢(shì)也并不總是顯而易見的。

歷史

以太網(wǎng)在 1980 年代初被引入辦公室，并由于其（當(dāng)時(shí)）聳人聽聞的 10 Mbps 的高吞吐量而迅速變得非常流行。但是，這種以太網(wǎng)對(duì)于實(shí)時(shí)應(yīng)用并不實(shí)用，因?yàn)樗褂昧艘环N稱為派對(duì)線路的通用介質(zhì)。在高利用率下發(fā)生的碰撞在辦公室環(huán)境中引起了問題。

在其開發(fā)的下一步中，通過引入交換網(wǎng)絡(luò)消除了沖突。此外，在服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 方面，引入了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)優(yōu)先級(jí)。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，保證延遲尤為重要。盡管有QoS，但辦公室中使用的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)只能保證一定程度的延遲，尤其是在網(wǎng)絡(luò)利用率高的情況下。

造成這種情況有幾個(gè)原因，主要原因是商用多端換機(jī)中常用的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略以及無法保留帶寬的事實(shí)。

圖1.以太網(wǎng)幀：與TSN數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)相關(guān)的數(shù)據(jù)字段顯示為綠色。

存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)意味著交換機(jī)在轉(zhuǎn)發(fā)之前接收完整的數(shù)據(jù)報(bào)。這在交換機(jī)的處理方面具有優(yōu)勢(shì)，但也帶來了可能產(chǎn)生負(fù)面影響的潛在問題 影響延遲和可靠性：

通過交換機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)的延遲量取決于其長度。如果開關(guān)是級(jí)聯(lián)的，效果就會(huì)放大。

由于交換機(jī)沒有無限的存儲(chǔ)容量，因此如果網(wǎng)絡(luò)過度使用（流量過多），它可以拒絕數(shù)據(jù)報(bào);這意味著數(shù)據(jù)報(bào)（即使是那些被賦予更高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)報(bào)）也可能丟失。

長數(shù)據(jù)報(bào)可能會(huì)阻塞端口相對(duì)較長的時(shí)間。

開關(guān)級(jí)聯(lián)從一開始就在工業(yè)環(huán)境中提出了挑戰(zhàn)。除了IT領(lǐng)域使用的星形拓?fù)渫?，線形、環(huán)形和樹形拓?fù)湟步?jīng)常用于自動(dòng)化。這些經(jīng)過調(diào)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 顯著降低以太網(wǎng)安裝布線要求和成本。因此，在工業(yè)中，采用直通策略的 2 端換機(jī)被集成到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。直通意味著數(shù)據(jù)報(bào)是 在完全接收之前轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2.拓?fù)洹?/p>

必須保證始終有足夠的帶寬（和緩沖區(qū)空間）可用于高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)報(bào)。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)尚無法提供此功能。

一種尺寸適合一切：迄今為止的工業(yè)以太網(wǎng)

由于傳統(tǒng)以太網(wǎng)沒有足夠的帶寬預(yù)留功能，自動(dòng)化專家于 2000 年開始開發(fā)自己的以太網(wǎng)擴(kuò)展。然而，他們走的道路卻大相徑庭。區(qū)分以下方法：

使用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸介質(zhì)的協(xié)議。這些協(xié)議聲稱自己完全控制以太網(wǎng)介質(zhì)。傳統(tǒng)的TCP/IP通信只能通過現(xiàn)場(chǎng)總線（EtherCAT和POWERLINK）或通過現(xiàn)場(chǎng)總線分配的通道（Sercos）進(jìn)行背負(fù)式通信。帶寬控制牢牢掌握在現(xiàn)場(chǎng)總線手中。??

通過以太網(wǎng)上的時(shí)間切片過程保證帶寬預(yù)留的協(xié)議。這里應(yīng)該提到PROFINET IRT。IRT 可在運(yùn)行軟實(shí)時(shí)或后臺(tái)流量的同一電纜上實(shí)現(xiàn)硬確定性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。傳輸路徑的精確時(shí)序模型對(duì)于規(guī)劃時(shí)間片是必要的。?

基于以太網(wǎng)電纜共享的協(xié)議。這些協(xié)議使用 QoS，在工廠和過程自動(dòng)化應(yīng)用中很常見。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得注意的例子。這些協(xié)議僅限于軟實(shí)時(shí)范圍（周期時(shí)間≥ 1 ms）。

圖3.定時(shí)模型：PHY、電纜和開關(guān)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲。這必須與時(shí)隙方法（PROFINET IRT和TSN時(shí)間感知整形器（TAS））一起考慮。

對(duì)于這些標(biāo)準(zhǔn)，需要特殊的硬件支持，因此需要特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP?也基于帶直通的嵌入式2端換機(jī)，因此它們?cè)谶@里也不例外。ADI公司的fido5000等基于硬件的靈活多協(xié)議解決方案以優(yōu)雅的方式解決了這一問題。

輸入TSN

借助TSN，成功開發(fā)了符合IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)擴(kuò)展，該擴(kuò)展擺脫了過去的限制。因此，ISO 7 層模型中現(xiàn)在有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的第 2 層，與以前的以太網(wǎng)和硬實(shí)時(shí)功能向上兼容。在802.1AS-rev中，TSN還定義了一種可互操作的統(tǒng)一方法，用于同步網(wǎng)絡(luò)中的分布式時(shí)鐘。由于盡力而為的通信始終與TSN進(jìn)行，因此對(duì)于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用程序以及所有其他應(yīng)用程序（Web服務(wù)器，SSH等）都可以使用電纜。TSN在這方面與PROFINET IRT沒有什么不同，它還提供了相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

TSN的新功能是需要更廣泛的網(wǎng)絡(luò)配置。集中式或分散式配置是可能的。目前正在討論和實(shí)施這兩種類型的配置。兩種配置機(jī)制之間的互操作性是未來的發(fā)展目標(biāo)。

這一切都很好，但是TSN的實(shí)際優(yōu)勢(shì)是什么？

最常見的答案是，隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了更便宜的網(wǎng)絡(luò)接口。畢竟，TSN未來也將出現(xiàn)在樓宇自動(dòng)化和汽車行業(yè)。事實(shí)上，嵌入式TSN解決方案的市場(chǎng)預(yù)計(jì)將大大大于目前所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的市場(chǎng)總和。

與以前的工業(yè)以太網(wǎng)方法相比，TSN最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是其可擴(kuò)展性。與當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，TSN沒有針對(duì)特定的傳輸速率進(jìn)行定義。TSN可用于100 Mbps，就像1 Gbps，10 Mbps或5 Gbps一樣。

它還使拓?fù)涞玫礁玫膬?yōu)化，因?yàn)楝F(xiàn)在可以為各個(gè)段選擇調(diào)整的數(shù)據(jù)速率。無論是 Gbps、100 Mbps 還是 10 Mbps，都使用統(tǒng)一的第 2 層 — IEEE802.1/TSN。

統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施還可以幫助負(fù)責(zé)設(shè)置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的人員，因?yàn)榻柚鶷SN，解決方案現(xiàn)在可以用于自動(dòng)化以外的領(lǐng)域：建筑，過程和工廠自動(dòng)化以及能源分配。

這給我們帶來了下一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即訓(xùn)練因素。TSN已經(jīng)成為許多大學(xué)的話題，大多處于研究階段。然而，技術(shù)和職業(yè)學(xué)院已經(jīng)對(duì)這個(gè)話題表現(xiàn)出興趣。我們可以相當(dāng)肯定地說，TSN將成為工程師，技術(shù)人員和技術(shù)工人的基本知識(shí)。不再需要對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行再培訓(xùn)。

棕地，或者今天的協(xié)議會(huì)發(fā)生什么？

在幾乎所有與TSN相關(guān)的工作組中，都有一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的主題：如何保障向TSN的過渡和對(duì)現(xiàn)有裝置（如棕地應(yīng)用）的供應(yīng)？

圖4.棕地：TSN部門與PROFINET和EtherCAT相結(jié)合。

在所有方面，重點(diǎn)是使客戶能夠輕松平穩(wěn)地過渡到TSN。今天已經(jīng)可以說，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)在一夜之間消失。相反，今天使用PROFINET，EtherNet/IP，EtherCAT或類似廣泛使用的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的任何人都可以安全地假設(shè)他或她也將能夠在10年內(nèi)使用這些協(xié)議運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，并獲得支持和更換部件。

所有工業(yè)以太網(wǎng)組織都提供模型，描述現(xiàn)有工廠如何與新的基于TSN的設(shè)備合作。與現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口由網(wǎng)關(guān)（Sercos），耦合器（EtherCAT）或沒有任何特殊硬件（PROFINET RT）組成。特別是PROFINET和EtherNet/IP計(jì)劃將其完整的協(xié)議作為第2層在TSN上提供。

這使得逐步過渡到TSN成為可能。

總之，TSN將在新裝置中隨處可見，并以逐步引入現(xiàn)有裝置的孤島或段的形式出現(xiàn)。

然而，有了TSN，工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域?qū)⒂行碌膮⑴c者。OPC UA，它與新的傳輸協(xié)議PUB / SUB一起與TSN一起，已經(jīng)被視為經(jīng)典協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造商來說，這意味著必須支持經(jīng)典的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案以及TSN和新的參與者。

審核編輯：郭婷