自动化理念下的未来工业4.0网络

网络是未来自动化的关键，在未来工业4.0网络中，TSN控制、现场总线层面的OPC UA和传感器层面的IO-Link都是非常重要的环节。本期，我们聚焦在时间敏感型网络（TSN），探究其在工业通信领域的优势。

数字化数据及其有效的数据交换将在未来定义生产过程，并且代表着过程链条中的实际价值。随着网络化程度的提高，由于来自不同供应商的大量的通讯解决方案，使用的协议和数据模型往往互不兼容，复杂性也随之上升。用户深感面对专有系统的不易，对标准化的渴望越来越强烈。

通用结构
OPC UA (开放平台通讯统一架构)是工业设备安全的、独立于制造商网络的可能的标准。该通讯协议为不同的工业数据源之间提供了一个标准化的（IEC 62541）的接口。OPC不仅定了一个数据传输的标准，而且还以机器可读的方式对数据进行语义描述。但OPC UA目前缺乏必要的实时能力，无法满足现场级的应用，如运动控制等。因此，OPC开始致力于使得OPC UA能够应用于现场级的自动化任务。一项基本的技术是TSN（时间敏感网络），其定义了通过以太网传输数据的机制，并形成了一套协议标准，使得在同一根电缆上同时传输具有不同实时性要求的应用成为可能。

TSN的“前世今生”
以太网在20世纪80年代初被引入办公领域，并因其惊人的10Mbps的高吞吐量（相对于当时而言）迅速普及。然而，这种以太网对于实时应用来说并不实用，因为它使用被称为“合用线”的通用介质。在高利用率的情况下容易发生冲突，导致办公设置出现问题。

后来随着以太网的发展，通过引入交换网络解决了冲突问题。此外，通过服务质量（QoS）引入了以太网数据报文优先级。对于工业应用，保证低延迟尤为重要。尽管有QoS，但在办公环境中使用的标准以太网只能保证延迟低至某一点，尤其是在高网络利用率的情况下，主要原因是商用多端口交换机常用的存储转发策略和不可能预留带宽。

交换机级联从一开始就给工业环境应用带来了挑战。除了用于IT领域中的星型拓扑结构以外，自动化领域也常使用线型、环型和树型拓扑结构。这些经过调整的拓扑结构大幅降低了以太网安装的布线要求和成本。因此，在工业应用中，采用直通式策略的双端口交换机被整合到现场设备中。直通式意味着数据报文在被完全接收前被转发，这必须保证总是能为高优先级数据报文提供足够的带宽（和缓冲区空间）。标准以太网目前还无法做到这一点。

由于传统的以太网没有足够的带宽预留功能，自动化领域的专家从2000年就着手开发自己的以太网版本。不同的开发路径有着不同的标准，而这些标准需要特殊的硬件来支持，因此需要使用特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet/IP®也是基于嵌入式双端口直通式交换机的，因此它们在这一点上也不例外。诸如ADI的fido5000之类的灵活、基于硬件的多协议解决方案以精简的方式解决了这个问题。

借助TSN，业界已经成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本，成功地摆脱了过去的限制。因此，ISO7层模型中的标准化第2层现在已经可以向上兼容之前的以太网和硬实时功能。通过802.1AS-rev，TSN还定义了可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。由于通过TSN总能实现“尽力而为”的通信，所以在硬实时应用以及所有其它应用（网络服务器、SSH等）中，共用电缆成为可能。在这方面，TSN与PROFINET IRT并没有什么不同，它也提供了相仿的性能。

采用TSN的新增需求是需要更广泛的网络配置，集中式或分布式配置均有可能。目前正在讨论和实施兼顾两种类型的配置，未来的发展目标是实现两种配置机制之间的互操作性。


TSN的优势
TSN提供了比市面上更低成本的网络接口，并且适用于更广泛的市场。毕竟，TSN也能用于未来的楼宇自动化和汽车行业中。事实上，预计嵌入式TSN解决方案的市场规模将大大超过所有工业以太网解决方案当前市场的总和。

TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同，TSN并不针对特定的传输速率进行定义——TSN可用于100Mbps，也可同样用于1Gbps、10 Mbps或5Gbps。它还能更好地优化了拓扑结构，因为现在可以针对各个不同的区段选择与之相适应的数据速率。无论是1Gbps、100Mbps还是10Mbps，都使用统一的第2层——IEEE802.1/TSN。

统一的网络基础设施还有助于相关人员完成建立和维护网络的任务，因为通过TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的其它领域，如建筑、过程和工厂自动化以及能源分配等。这为我们的培训带来了优势：TSN已经成为许多大学的课题方向，虽然多数尚处于研究阶段，但技术和职业学院已经对这一课题表现出极大的兴趣。未来，TSN很有可能成为工程师、技术人员的必备基本知识，针对不同的现场总线则不需要进行再培训，这使得TSN的培训变得更加简便。

“棕地”该怎么办？
在几乎所有与TSN相关的工作组中，都会反复出现一个主题：如何同时保障向TSN的过渡和向现有安装系统（如“棕地”应用）的供给？

在各方面，强调的重点都是旨在让客户能够轻松顺利地过渡到TSN。今天，我们可以有把握地说，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。与之相反，任何人当前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协议，他们都可以很有把握地假定，在10年内他们还是能够使用这些协议运行网络，并获得支持和替换部件。

所有工业以太网组织都提供了模型，用来描述现有工厂如何与基于TSN的新设备协同工作。现有工业网络的接口由网关（Sercos）、带耦合器（EtherCAT）或没有任何特殊硬件（PROFINET RT）的接口组成。PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整协议作为第2层用于TSN，这使得逐步过渡到TSN成为可能。

总之，TSN将在新装置中随处可见，并逐渐以岛或区段的形式导入至现有装置中。然而，伴随着TSN，工业以太网领域将涌现出新的协议。带有新传输协议PUB/SUB的OPC UA与TSN一起，已被视为传统协议的竞争对手。对于现场设备的制造商来说，这意味着它们不得不同时支持传统的工业以太网解决方案以及TSN和新协议。

新传输协议PUB/SUB的安全
作为OPC协会的一员，Pilz（皮尔磁）的员工积极参与现场级通讯（FLC）小组的指导委员会和技术工作小组，其重点是处理安全问题（OPC UA安全）。这一工作尤其需要Pilz在使用发布者/订阅者技术（PUB/SUB）和功能安全的现场总线协议要求方面拥有丰富且专业知识：与经典的主/从架构相比，PUB/SUB架构允许订阅者自己决定想与其他的订阅者建立哪些通讯关系，他们想在什么时间间隔接收哪些数据。这意味着数据的分布特别高效，并且与TSN结合，使得“OPC UA over TSN”也可以用于高要求的分布式自动化任务。

“PUB/SUB是一种非常强大的信息传递方法，而Pilz在该领域尤其擅长。Pilz的SafetyNET p是目前唯一的基于以太网的安全现场总线系统，从一开始就支持PUB/SUB。”皮尔磁产品管理部门负责网络产品的Harald Wessels如是说，“现在这为全行业统一通讯标准提供了机会，这的确将是历史性的，因为这是机器制造者和操作者所希望的。”
对于机器制造商而言，因为不需要为不同的通讯协议来调整机器，今后可以节省工程方面的工作量。他们的机器可以在没有网关等系统中断的情况下，与其他用户进行通讯，而不会造成损失，操作人员也会因此而受益。

IO-Link：简单连接是目标
然而，在传感器层面，集成安全协议的IO-Link将成为安全传感器通讯的开放市场标准——现场总线和独立系统。IO-Link是一种强大的标准化（IEC 61131-9）连接技术，用于点对点通讯。IO-Link的优势在于简化了安装（例如，通过标准化布线以及消除并联布线），自动适应工具支持参数以及扩展了诊断选项。因此，它是对TSN上OPC UA的理想补充。IO-Link安全系统扩展的1.1版本大约在一年前被采用。作为工作组的积极成员，Pilz目前正在为主站（如评估设备和控制器）和设备（传感器/执行器）之间的通讯开发必要的软件栈。通过与审计机构联手，测试规范、测试系统以及这些通讯堆栈的认证也在同步准备中。

对于实际的自动化解决方案，简单连接正日益成为其成功因素之一。“现在和将来，我们的客户在世界范围内销售他们的机械设备，并尽可能高效地运行。因为我们的自动化专家确保了简单的连接。”Wessels解释说。
基于云的服务也将更容易实施，这要归功于标准化，因为统一的数据格式和统一的语义使数据的解释和评估更加容易。在未来，自动化解决方案将通过其功能来实现更多的差异化：用户界面有多好，使用有多么方便，他们提供哪些额外的优势？这里需要强大的创新力，新应用的潜力也非常巨大。

结语
近来，任何从事工业通信的人都会面对TSN的话题，我们已经听到这样的评论：TSN必将到来，这只是个时间和方式问题。TSN使得为所有工业通信创建一个统一的基础成为可能。一旦引入TSN，工业应用中ISO的7层模型的第1、2、3层将统一，这有可能使可扩展性和性能达到全新的水平。基于此，上层通信是否也会标准化？是否有可能出现一个统一的OPC UA PUB/SUB？一切皆有可能。

未来，如果每一台设备、每一个车间、每一个产品和每一个工厂都可以集成在一起，在任意一个节点都可以永久地、实时地获得所有需要的数据，那么“工业互联”将从一个概念真正落地，我们期待这样的场景在未来会到来。

来源：荣格-《智能制造纵横》


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