如何為工業(yè)通信選擇合適的以太網(wǎng)協(xié)議呢？

為通信選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以為供應(yīng)商、原始設(shè)備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，產(chǎn)品供應(yīng)商一直在尋求獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而通信一直是一個(gè)差異化因素。從早期的現(xiàn)場(chǎng)總線大戰(zhàn)，到目前各種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，通信仍然處于差異化的前沿。

以太網(wǎng)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，這是有充分理由的。信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域的規(guī)模和實(shí)力，正在創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)高效、高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品應(yīng)該應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。最終用戶的期望是產(chǎn)品應(yīng)該開(kāi)箱即用，每個(gè)人都關(guān)心安全性和最重要的端到端數(shù)據(jù)可靠性。由于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題無(wú)處不在，有許多硬件和軟件解決方案可供開(kāi)發(fā)和復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)電網(wǎng)的安全和保障。

01

按產(chǎn)品、應(yīng)用分類(lèi)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

根據(jù)不同的應(yīng)用目的，設(shè)計(jì)了各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所使用的解決方案取決于所選擇的供應(yīng)商和所應(yīng)用的產(chǎn)品。通常情況下，一旦選擇了產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也就確定了。協(xié)議是用來(lái)完成工作的幕后技術(shù)，很少有必要熟悉其內(nèi)部運(yùn)作。一些協(xié)議被設(shè)計(jì)為高性能，另一些協(xié)議則專(zhuān)注于通信效率，還有一些協(xié)議則旨在用于客戶端/服務(wù)器或發(fā)布/訂閱架構(gòu)。

我們需要這些以太網(wǎng)通信協(xié)議來(lái)從不同的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。OPC UA（統(tǒng)一架構(gòu)）也是一種促進(jìn)數(shù)據(jù)建模和信息傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)制，所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都能與OPC UA無(wú)縫協(xié)作。

02

什么是TSN技術(shù)？

由IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)組管理的以太網(wǎng)正在持續(xù)改進(jìn)。2017年，該組織發(fā)布了《IEEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)——時(shí)間敏感應(yīng)用的定時(shí)和同步》。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）允許在同一條物理線路上，共存多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，不同的設(shè)備和應(yīng)用程序在其上進(jìn)行通訊。這為運(yùn)營(yíng)（OT）網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)的融合打開(kāi)了大門(mén)。它帶來(lái)的好處包括：

■通過(guò)讓所有設(shè)備共享一條線路來(lái)簡(jiǎn)化架構(gòu)。

■由于簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)而降低了成本。

■通過(guò)從IT網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備的可訪問(wèn)性，使管理更容易。

■通過(guò)對(duì)流量進(jìn)行分類(lèi)/優(yōu)先排序，提高了可靠性。

■通過(guò)暴露控制元素的數(shù)據(jù)來(lái)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

這些都是高度競(jìng)爭(zhēng)和面向未來(lái)的智能工廠的基本特征。

源于視聽(tīng)和汽車(chē)應(yīng)用的TSN技術(shù)，也適用于工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)市場(chǎng)需要一種方法來(lái)保證確定性、高性能和數(shù)據(jù)可靠性。同時(shí)，有必要在同一條物理線路上管理和共存多個(gè)商用現(xiàn)成以太網(wǎng)協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

03

TSN是如何工作的？

TSN是一種基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，位于OSI模型的第2層（數(shù)據(jù)鏈路），以擴(kuò)展當(dāng)前以太網(wǎng)的功能。TSN由IEEE 802.1以太網(wǎng)子標(biāo)準(zhǔn)集描述，并專(zhuān)注于在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上提供多個(gè)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的確定性和收斂性。提供這種功能的兩個(gè)重要TSN子標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.1 AS和IEEE 802.1 Qbv。

第一種方法確保網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都是同步的，為確定性打下基礎(chǔ)。一旦在網(wǎng)絡(luò)中建立了時(shí)間共享，IEEE 802.1 Qbv就定義了“時(shí)間感知整形器”。這些整形器定義了分配給不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)流量的特定“時(shí)隙”，并根據(jù)所攜帶的信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。因此，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)流量都可以以可預(yù)測(cè)的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播，從而進(jìn)一步支持確定性通信。這種方法支持多種業(yè)務(wù)類(lèi)型的融合，具有將OT和IT領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)的能力。

04

從終端用戶角度看TSN

工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)是一個(gè)由終端用戶組成的生態(tài)系統(tǒng)，他們向機(jī)器制造商委托項(xiàng)目，而機(jī)器制造商則尋找能夠提供符合這些規(guī)范的產(chǎn)品和解決方案的供應(yīng)商。

包括原始設(shè)備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商在內(nèi)的終端用戶的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，是提供更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相應(yīng)的機(jī)器設(shè)計(jì)，使得不同應(yīng)用和設(shè)備能夠和平共存。OEM和系統(tǒng)集成商面臨的最大挑戰(zhàn)，是如何配置和管理集成解決方案，然后將這些知識(shí)傳授給維護(hù)和使用機(jī)器的最終用戶。簡(jiǎn)化的架構(gòu)和易于管理的設(shè)備是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

工業(yè)以太網(wǎng)組織都希望他們的協(xié)議易于工作、配置和維護(hù)。是否采用這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，取決于易用性和可靠性等性能，以及是否能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)和安全等復(fù)雜活動(dòng)。

05

工業(yè)通信的互操作性

供應(yīng)商希望生產(chǎn)出有效的產(chǎn)品。用戶希望購(gòu)買(mǎi)適合的產(chǎn)品，了解多供應(yīng)商的互操作性概念，并使用來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品，而不依賴(lài)于運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)。期望工業(yè)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)的設(shè)備和應(yīng)用可以在同一條物理線路上無(wú)縫運(yùn)行。這以一個(gè)基本的假設(shè)為前提：商業(yè)應(yīng)用不能影響工業(yè)OT應(yīng)用的控制。

OPC UA不是一種協(xié)議，而是一種基于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信（FLC）的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)互操作性解決方案，可以利用TSN技術(shù)來(lái)運(yùn)行復(fù)雜的應(yīng)用。IT和OT之間的數(shù)據(jù)和信息集成是TSN技術(shù)的副產(chǎn)品。OPC基金會(huì)正在與工業(yè)以太網(wǎng)組織合作，以更好地利用TSN并與不同的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)共存。

TSN支持的IT與OT融合加強(qiáng)了整個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸，允許最終用戶獲得更大的過(guò)程透明度。透明度是指能夠從工業(yè)應(yīng)用和設(shè)備中提取更多數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為有意義的信息，以更好地維護(hù)和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。其結(jié)果是可以充分利用信息并提供必要的洞察力，從而可以優(yōu)化性能、生產(chǎn)力和效率，進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量。這意味著帶寬很重要，但互操作性方面更重要。用戶可以放心，系統(tǒng)可以相互通信，工業(yè)控制也可以不間斷地持續(xù)運(yùn)行。

關(guān)鍵概念：

■ 以太網(wǎng)協(xié)議多種多樣，設(shè)計(jì)目的各不相同。

■TSN允許設(shè)備和應(yīng)用程序通過(guò)多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通信。

■TSN使IT和OT更容易融合。

審核編輯：劉清