虹科干貨 | 在工業(yè)4.0階段，如何利用TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打造數(shù)字化工廠？（2）

Time Sensitive Networking

數(shù)字化工廠對(duì)通信的互操作性和簡(jiǎn)單性要求更高，而TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）則是專門為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代以太網(wǎng)技術(shù)。雖然TSN的引入需要根據(jù)不同的行業(yè)領(lǐng)域逐步進(jìn)行，但在一些諸如鐵路、航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域，正在采用TSN作為其新平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)IT/OT網(wǎng)絡(luò)。目前，虹科的TSN IP核、TSN板卡、TSN交換機(jī)等多種TSN解決方案已嵌入到工業(yè)部門的終端設(shè)備、TSN測(cè)試設(shè)備和鐵路系統(tǒng)中。

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虹科干貨 | 在工業(yè)4.0階段，如何利用TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)打造數(shù)字化工廠？（1）

在TSN技術(shù)中，時(shí)間感知整形器允許定義每個(gè)周期中存在的臨時(shí)窗口的數(shù)量、它們的持續(xù)時(shí)間和可以傳輸?shù)牧髁款愋汀Ｔ谶@種操作模式下，計(jì)劃流量具有專用窗口，以保證實(shí)時(shí)消息通信的確定性行為。盡力而為的流量容納在每個(gè)操作周期的其余臨時(shí)窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的規(guī)定，在 TSN 中優(yōu)先考慮和優(yōu)化帶寬使用的最重要改進(jìn)之一是使用基于信用的整形器。

此功能支持對(duì)預(yù)留流量的管理，這增加了指定流量的優(yōu)先級(jí)，使其比盡力而為流量具有更高的優(yōu)先級(jí)，與計(jì)劃流量相比具有更低的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)使用 IEEE 1588 同步協(xié)議，解決了在構(gòu)成 TSN 網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備之間提供納秒范圍內(nèi)的臨時(shí)同步的挑戰(zhàn)。由于該技術(shù)提供的精度，可以控制通過(guò)網(wǎng)絡(luò)引入的延遲，并根據(jù)臨時(shí)事件獲得確定性的以太網(wǎng)解決方案。TSN 中使用的特定IEEE 1588配置文件是IEEE 1588ASrev。

HONGKE

虹/科/方/案

虹科RELY-TSN-PCIe板卡

為了便于訪問該技術(shù)并允許與傳統(tǒng) PC 系統(tǒng)無(wú)縫連接 TSN，虹科推出了一種可插入任何 Windows 或 Linux 電腦的 TSN NIC 卡。該板卡通過(guò)為 PC 上的通信提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，并集成了一個(gè)4端口 SoC-e TSN Bridge，從而將復(fù)雜的技術(shù)難題簡(jiǎn)單化，且不需要在主機(jī)上安裝任何特殊軟件。此外，該方案可以在TSN網(wǎng)絡(luò)中使用典型的工業(yè)應(yīng)用和軟件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。

虹科RELY-TSN-PCIe

此橋接器提供 2 個(gè)外部端口，允許連接銅纜或光纖 SFP 模塊。此外，2 個(gè)內(nèi)部端口可以與主機(jī)（PC、服務(wù)器、IPC 等）和卡的內(nèi)部CPU 進(jìn)行通信。這個(gè)嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以從主機(jī) PC 上運(yùn)行的任何 WEB 瀏覽器訪問該板卡上運(yùn)行的軟件。該方案允許配置和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，而無(wú)需在 PC 上運(yùn)行任何特殊軟件。RELY-TSN-PCIe 支持使用標(biāo)準(zhǔn)中定義的 YANG 模型進(jìn)行自動(dòng)配置。但是，為了便于早期試點(diǎn)的實(shí)施，該板卡允許手動(dòng) TSN 配置。例如，下方的截圖顯示了手動(dòng)將每個(gè)流量?jī)?yōu)先級(jí)分配給每個(gè)時(shí)隙的方法。

在GUI中手動(dòng)配置時(shí)間整形器

根據(jù)每個(gè)應(yīng)用程序的要求，有必要在主機(jī) PC 的時(shí)鐘同步中保持不同級(jí)別的精度，以及需要具備控制網(wǎng)絡(luò)和軟件之間信息流的確定性的能力。例如，負(fù)責(zé)機(jī)器人控制的虛擬 PLC 服務(wù)需要在控制回路數(shù)據(jù)設(shè)置的嚴(yán)格時(shí)間限制內(nèi)訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（計(jì)劃流量）。然而，SCADA 軟件在同步要求方面更為寬松，在大多數(shù)情況下要求微秒范圍內(nèi)的時(shí)基，便足以管理受監(jiān)督的過(guò)程。因此，有必要針對(duì)每種情況來(lái)分析需要集成哪些技術(shù)以滿足需求，進(jìn)而避免不必要地增加整體解決方案的復(fù)雜性。從這個(gè)意義上說(shuō)，虹科提供了兩種可選的TSN板卡方案。

方案1：可以將虹科TSN板卡插入到Linux OS 計(jì)算機(jī)中

在這種情況下，應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的全局同步是可行的。此外，可以在操作系統(tǒng)中使用補(bǔ)丁提供的流量管理和實(shí)時(shí)操作功能，從而有利于擴(kuò)大使用的范圍并增強(qiáng)整體集成性。

方案2：可以將虹科TSN板卡無(wú)縫集成到基于不同版本的Windows操作系統(tǒng)的設(shè)備中

在這種情況下，虹科TSN板卡被操作系統(tǒng)視為具有多個(gè)基于 VLAN 的虛擬接口的標(biāo)準(zhǔn) NIC 卡。該板卡通常需要管理計(jì)劃流量、預(yù)留流量和盡力而為流量等內(nèi)容的識(shí)別，而這是通過(guò)本地VLAN 標(biāo)記完成的。Synchronization則通過(guò)NTP傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)中，并兼容Windows，因而可以被其他應(yīng)用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 環(huán)境中使用 PTP 協(xié)議棧和集成實(shí)時(shí)中間件。

目前，已有用戶使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡來(lái)使其PC具備TSN功能，其中的一些例子便是SCADA應(yīng)用和機(jī)器互連。

虹科RELY-TSN-PCIe測(cè)試配置

如上圖，在PC1中，計(jì)算機(jī)托管MTConnect Agent，而該Agent卡通過(guò)虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 發(fā)送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe負(fù)責(zé)管理的相應(yīng)插槽中的流量分配。為了方便實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目的GIT中提供的Adapters模擬器可以在不需要真機(jī)的情況下使用。

總結(jié)

CONCLUSIONS

工業(yè) 4.0 的演進(jìn)要求通信的互操作性和簡(jiǎn)單性，而TSN 是專為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的新一代以太網(wǎng)。在每個(gè)部門和應(yīng)用程序中引入 TSN 是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。然而，一些關(guān)鍵行業(yè)，如鐵路或航空航天，對(duì) TSN 表現(xiàn)出極大的興趣。虹科致力于提供必要的技術(shù)，以最適合客戶需求的方式向下一代通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。從這個(gè)意義上說(shuō)，RELY-TSN-PCIe 卡及其評(píng)估套件是開始使用技術(shù)的絕佳方式，該方案將簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施并真正實(shí)現(xiàn) OT 和 IT 的共存。