自動化中的TSN將何時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遇到時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的話題。TSN一定會來;唯一需要澄清的是它將何時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（當時）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)對于實時應(yīng)用并不實用，因為它使用了一種稱為派對線路的通用介質(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)報優(yōu)先級。

對于工業(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準以太網(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原因，主要原因是商用多端換機中常用的存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略以及無法保留帶寬的事實。

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

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

通過交換機時，數(shù)據(jù)報的延遲量取決于其長度。如果開關(guān)是級聯(lián)的，效果就會放大。

由于交換機沒有無限的存儲容量，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;這意味著數(shù)據(jù)報（即使是那些被賦予更高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)報）也可能丟失。

長數(shù)據(jù)報可能會阻塞端口相對較長的時間。

開關(guān)級聯(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)域使用的星形拓撲外，線形、環(huán)形和樹形拓撲也經(jīng)常用于自動化。這些經(jīng)過調(diào)整的拓撲結(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 端換機被集成到現(xiàn)場設(shè)備中。直通意味著數(shù)據(jù)報是 在完全接收之前轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2.拓撲。

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)先級數(shù)據(jù)報。標準以太網(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，自動化專家于 2000 年開始開發(fā)自己的以太網(wǎng)擴展。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)場總線（EtherCAT和POWERLINK）或通過現(xiàn)場總線分配的通道（Sercos）進行背負式通信。帶寬控制牢牢掌握在現(xiàn)場總線手中。??

通過以太網(wǎng)上的時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 可在運行軟實時或后臺流量的同一電纜上實現(xiàn)硬確定性實時數(shù)據(jù)傳輸。傳輸路徑的精確時序模型對于規(guī)劃時間片是必要的。?

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)議僅限于軟實時范圍（周期時間≥ 1 ms）。

圖3.定時模型：PHY、電纜和開關(guān)會導致數(shù)據(jù)傳輸延遲。這必須與時隙方法（PROFINET IRT和TSN時間感知整形器（TAS））一起考慮。

對于這些標準，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，因此它們在這里也不例外。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的標準以太網(wǎng)擴展，該擴展擺脫了過去的限制。因此，ISO 7 層模型中現(xiàn)在有一個標準化的第 2 層，與以前的以太網(wǎng)和硬實時功能向上兼容。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)中的分布式時鐘。由于盡力而為的通信始終與TSN進行，因此對于硬實時應(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?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。目前正在討論和實施這兩種類型的配置。兩種配置機制之間的互操作性是未來的發(fā)展目標。

這一切都很好，但是TSN的實際優(yōu)勢是什么？

最常見的答案是，隨著市場的擴大，市場上也出現(xiàn)了更便宜的網(wǎng)絡(luò)接口。畢竟，TSN未來也將出現(xiàn)在樓宇自動化和汽車行業(yè)。事實上，嵌入式TSN解決方案的市場預(yù)計將大大大于目前所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案的市場總和。

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

它還使拓撲得到更好的優(yōu)化，因為現(xiàn)在可以為各個段選擇調(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)施還可以幫助負責設(shè)置和維護網(wǎng)絡(luò)的人員，因為借助TSN，解決方案現(xiàn)在可以用于自動化以外的領(lǐng)域：建筑，過程和工廠自動化以及能源分配。

這給我們帶來了下一個優(yōu)勢，即訓練因素。TSN已經(jīng)成為許多大學的話題，大多處于研究階段。然而，技術(shù)和職業(yè)學院已經(jīng)對這個話題表現(xiàn)出興趣。我們可以相當肯定地說，TSN將成為工程師，技術(shù)人員和技術(shù)工人的基本知識。不再需要對不同的現(xiàn)場總線進行再培訓。

棕地，或者今天的協(xié)議會發(fā)生什么？

在幾乎所有與TSN相關(guān)的工作組中，都有一個反復(fù)出現(xiàn)的主題：如何保障向TSN的過渡和對現(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)議的競爭對手。對于現(xiàn)場設(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