工業(yè)4.0時(shí)代需要的是怎樣的網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)在計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中同樣是一種可靠的有線傳輸方案。這種開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)允許終端能夠快速便捷地連接，并且能夠快捷地在相對(duì)便宜的硬件設(shè)備中交換數(shù)據(jù)。然而，以太網(wǎng)最初的設(shè)計(jì)并不是為了滿足自動(dòng)化技術(shù)的要求，尤其是在保證實(shí)時(shí)性通信方面。因此，自動(dòng)化中各種總線系統(tǒng)在頂層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)專有的實(shí)時(shí)性協(xié)議時(shí)，對(duì)以太網(wǎng)的物理層進(jìn)行了創(chuàng)新。這些系統(tǒng)通常會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的獨(dú)占使用以及對(duì)供應(yīng)商的依賴性。

目前，對(duì)于時(shí)效性和非時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一般都是分開單獨(dú)來處理的，以消除相互的負(fù)面干擾。在未來，工業(yè)4.0應(yīng)用將需要越來越通用的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如果用傳統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)滿足上述功能需求的通用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，付出的代價(jià)會(huì)非常大，因此，時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)旨在提出一種方案來解決現(xiàn)有的問題。

實(shí)時(shí)通信

對(duì)時(shí)間周期以及周期的波動(dòng)性的嚴(yán)格控制，包括傳輸過程中的控制和輸送技術(shù)領(lǐng)域，是自動(dòng)化領(lǐng)域一系列應(yīng)用中的先決條件。這些應(yīng)用領(lǐng)域所需的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間明顯小于1 ms，除了這些需要“硬”實(shí)時(shí)功能的應(yīng)用之外，其他應(yīng)用（如過程自動(dòng)化）可在較長(zhǎng)的時(shí)間周期中實(shí)現(xiàn)“軟”實(shí)時(shí)功能，不過，這些應(yīng)用也需要嚴(yán)格的時(shí)序控制。各種實(shí)時(shí)通信方法，如EtherCat（以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)）或Profinet 技術(shù)中的IRT，都是專門為嚴(yán)格控制時(shí)間序列而開發(fā)的。雖然它們都是基于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)來開發(fā)的，但它們彼此不兼容，這種不兼容性導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)碎片化。

為什么選擇時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)？

在大多數(shù)情況下，包括自動(dòng)化行業(yè)（如制造業(yè)）在內(nèi)的傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的工作是基于將信息技術(shù)（IT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）分開的高級(jí)自動(dòng)化金字塔。信息技術(shù)（IT）包括典型的終端設(shè)備（如打印機(jī)和個(gè)人計(jì)算機(jī)）的經(jīng)典辦公通信場(chǎng)景。運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）是由系統(tǒng)、機(jī)器和軟件組成的，用于處理過程控制和自動(dòng)化的技術(shù)。這兩個(gè)領(lǐng)域從根本上決定了它們通信方式的不同，信息技術(shù)（IT）依賴于帶寬，而運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）則更聚焦于實(shí)用性（如圖1所示）。因此，信息技術(shù)（IT）層面的數(shù)據(jù)流通常被標(biāo)記為非關(guān)鍵類別，而數(shù)據(jù)流在OT層面被特指為（時(shí)間）關(guān)鍵類別。最終，每個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)流都有一個(gè)特定的通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然具有TCP / IP協(xié)議的以太網(wǎng)總線系統(tǒng)在IT領(lǐng)域上占了絕對(duì)的主導(dǎo)地位，但各種需要保證延遲時(shí)間滿足特定需求的總線系統(tǒng)（比如現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)）也廣泛應(yīng)用于運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）領(lǐng)域。因此，每個(gè)供應(yīng)商通常都會(huì)推廣一個(gè)特定的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。對(duì)于用戶來說，這意味著選擇控制器基本上也就決定了總線的規(guī)格。因此，終端用戶通常的選擇通常受制于制造商，因?yàn)椴煌目偩€系統(tǒng)彼此間不兼容。

最初，信息技術(shù)（IT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）之間幾乎沒有任何聯(lián)系。今天，數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸是數(shù)字化時(shí)代所有形態(tài)和以及規(guī)模的企業(yè)所必備基本需求。持續(xù)穩(wěn)定的通信對(duì)于云端的數(shù)據(jù)獲取，遠(yuǎn)程訪問或設(shè)備連接等要求的滿足至關(guān)重要。未來將更加重視普世的以及協(xié)議統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)4.0以及物聯(lián)網(wǎng)（IOT）背景下描述或者已經(jīng)實(shí)施的基于建立靈活，智能制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)劃已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)重組的階段。包括組件，設(shè)備以及工廠在內(nèi)的智能制造環(huán)節(jié)之間互相進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)共享，以便于用自動(dòng)化地方式優(yōu)化智能制造地各個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，這些變化也已經(jīng)對(duì)建立的自動(dòng)化模型產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

圖1 自動(dòng)化領(lǐng)域金字塔轉(zhuǎn)換架構(gòu)

由于整合的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的自動(dòng)化領(lǐng)域正在轉(zhuǎn)型為一個(gè)廣義上的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)能夠直接和更高級(jí)別的傳感器直接連接與控制?，F(xiàn)場(chǎng)和控制層面的分離正在逐漸消解，因此一個(gè)統(tǒng)一的并且相互關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流可以與非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸并且不會(huì)產(chǎn)生影響彼此的消極反應(yīng)。因此，現(xiàn)有的以太網(wǎng)必須要做出相應(yīng)的改變以適應(yīng)現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)需求。旨在通過共享以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)融合關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的以太網(wǎng)子標(biāo)準(zhǔn)目前正在制定和改進(jìn)的過程中。

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)相比于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)包括：（1）保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間；（2）通過融合網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)㈥P(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流同時(shí)傳輸；（3）更高級(jí)的協(xié)議層可以共享通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；（4）在運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）領(lǐng)域之外也能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行控制；（5）不依賴于供應(yīng)商。

什么是時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)？

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)是在IEEE 802.1 TSN任務(wù)組中一系列以太網(wǎng)子標(biāo)準(zhǔn)定義組成的。TSN通過擴(kuò)展和調(diào)整現(xiàn)有的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，致力于實(shí)現(xiàn)在信息技術(shù)（IT）和工業(yè)運(yùn)行技術(shù)（OT）之間的融合。

時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)旨在對(duì)開放式系統(tǒng)互連（Open System Interconnection）第二層協(xié)議進(jìn)行規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化，以便不同的協(xié)議可以在相同的基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行。這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于如何配置關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流，使其既不影響實(shí)時(shí)性，也不影響性能。

核心要素

所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都具有相同的參考時(shí)鐘，這是必不可少的先決條件。網(wǎng)絡(luò)中所有交換機(jī)和終端都必須是時(shí)間同步的。通過有選擇地使用兩種不同的方法來改善這些功能（如表1所列）。

表1 時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)一覽

除了通用的IEEE 1588規(guī)范之外，時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組還采用了一個(gè)特殊的配置文件，規(guī)定了IEEE 1588與IEEE 802.1Q結(jié)合使用的規(guī)范。這個(gè)配置文件的目的是將不需要1588-2008標(biāo)準(zhǔn)全部功能的協(xié)議加速應(yīng)用到具體場(chǎng)景中。由于這個(gè)配置文件不能滿足所有自動(dòng)化要求，因此需要重新設(shè)計(jì)，現(xiàn)在經(jīng)過改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)被稱為IEEE 802.1AS-rev。

第二個(gè)核心功能是利用融合網(wǎng)絡(luò)處理關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的傳輸。關(guān)鍵數(shù)據(jù)流必須保證在預(yù)定時(shí)間內(nèi)傳輸，而非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流通常優(yōu)先級(jí)較低。根據(jù)IEEE 802.1Q已經(jīng)建立的8個(gè)數(shù)據(jù)流類別用來考慮各種數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)。但是，服務(wù)質(zhì)量（QoS）的標(biāo)準(zhǔn)定義并不能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵和非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流的并行傳輸。由于以太網(wǎng)交換機(jī)中的緩沖機(jī)制，盡管傳輸路徑中的數(shù)據(jù)流有最高優(yōu)先級(jí)，低優(yōu)先級(jí)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)仍然可能導(dǎo)致延遲，因此，我們引入新的優(yōu)先權(quán)機(jī)制來改善和調(diào)節(jié)之前模式存在的問題。另外，數(shù)據(jù)形式可以根據(jù)應(yīng)用的需求來重新塑造或者改善調(diào)度機(jī)制，下面具體闡述其中的兩種機(jī)制。

IEEE 802.1Qav — 基于可信因子的整形算法

該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種數(shù)據(jù)流算法，該算法對(duì)于滿足實(shí)時(shí)要求的數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)比最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流優(yōu)先級(jí)更高?；诳尚乓蜃拥恼嗡惴ǎ–BS）由IEEE 802.1工作組于2009年開發(fā)，用于時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）音頻/視頻橋接（AVB）的預(yù)研技術(shù)。整形器給數(shù)據(jù)流分配置信因子，只要可信因子保持在置信區(qū)間范圍內(nèi)，就發(fā)送具有保留帶寬的數(shù)據(jù)包。在傳輸過程中，可信因子在不斷消耗，直至下降到置信區(qū)間之外，才停止數(shù)據(jù)包的發(fā)送。一旦在傳輸過程中可信因子降至置信區(qū)間之外，則相鄰的最優(yōu)級(jí)別的數(shù)據(jù)包將會(huì)接替?zhèn)鬏斎蝿?wù)。如果這種方法對(duì)具有保留帶寬的數(shù)據(jù)包的傳輸產(chǎn)生了延遲，則可以相應(yīng)地增加可信因子的值來實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)級(jí)別的數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，能夠連續(xù)發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。

IEEE 802.1Qbv — 時(shí)間感知調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)的最基本功能是創(chuàng)建相等的離散時(shí)間片（時(shí)間周期），這些時(shí)間片段或時(shí)隙用來分配給不同類別的數(shù)據(jù)。時(shí)間感知形成器為不同類別的數(shù)據(jù)流提供了一個(gè)固定的時(shí)間表，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的預(yù)開始和到達(dá)時(shí)間的估計(jì)。這種策略使得系統(tǒng)遵守定義的傳輸時(shí)間的同時(shí)，同步多個(gè)數(shù)據(jù)流的功能實(shí)現(xiàn)成為可能。由于調(diào)度系統(tǒng)需要保持同步，因此所有網(wǎng)絡(luò)參與者都知道何時(shí)以及哪個(gè)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包將被傳輸與處理。

除了時(shí)間同步和各種數(shù)據(jù)流整形和調(diào)度機(jī)制之外，其他子標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)或正在制定中，這些不同的標(biāo)準(zhǔn)更像是一系列差異化的解決方案，而不是一個(gè)一體化解決方案。通過不同的模塊組合來滿足某些應(yīng)用場(chǎng)景的要求，從而可以使時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）適應(yīng)每個(gè)特定的應(yīng)用場(chǎng)景。

弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所（IPMS）的IP核目前已實(shí)現(xiàn)IEEE 802.1Qbv、IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qav和實(shí)時(shí)媒體訪問控制（MAC）的功能。

基于FPGA的TSN_IP核

由于時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)功能的廣泛性，可以通過可編程門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的集成，與和許多功能確定的集成電路（IC）相比，F(xiàn)PGA可以通過靈活的編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的變化，配置邏輯門陣列（門陣列）可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字功能。FPGA與IC相比，其優(yōu)勢(shì)包括如下：?開發(fā)成本顯著降低；?系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間更短；?靈活的可擴(kuò)展性和可編程性。

由于某些時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）的標(biāo)準(zhǔn)目前仍在修訂和制定中，因此可擴(kuò)展性和可重復(fù)編程性仍然是功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

總結(jié)和展望

通過不同的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同實(shí)時(shí)性要求的功能。時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）為滿足這些要求奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)各種延遲、抖動(dòng)和可靠性要求提供了較大的動(dòng)態(tài)范圍。雖然標(biāo)準(zhǔn)制定過程尚未完成，各種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施仍在進(jìn)行中，但核心功能已經(jīng)可以集成到產(chǎn)品中，并且可以通過相應(yīng)的IP核服務(wù)支持后續(xù)的功能完善或升級(jí)。當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的所有組件和設(shè)備都兼容時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）時(shí)，時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）將充分發(fā)揮其潛力。許多工業(yè)設(shè)備和交換器制造商正在努力制造與時(shí)效性網(wǎng)絡(luò)（TSN）兼容的產(chǎn)品。在 “接插集會(huì)”期間，所有制造商的產(chǎn)品都需要經(jīng)過符合標(biāo)準(zhǔn)的互操作性測(cè)試，弗勞恩霍夫光子微系統(tǒng)研究所（IPMS）目前正在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）和工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室（LNI）插頭測(cè)試中測(cè)試自己的TSN_CTRL IP核功能。

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