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解锁研华TSN交换机,开启IT和OT融合新曙光
编辑:谷子 [ 2020-9-24 10:04:02 ] 研华
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随着工业物联网的发展,不同的场景与应用对数据传输的要求不一,网络部署面临着新的需求和挑战,为了有效解决以太网通讯的不确定问题,实现真正的实时通讯,各大厂商开始大力引入和推广时间敏感网络(TSN)。

TSN拥有许多传统工业网络架构难以实现的功能,它的前世今生是什么?TSN能为IT与OT深度融合带来哪些契机?最新的行业动态又有哪些?

近日,研华科技联合CC-Link协会连线直播,为大家深入解析TSN这一可能成为未来工业通信统一标准的工业网络技术。

TSN,未来已来

研华工业物联网事业群资深开发经理张亦诚表示,目前工业领域所使用的通讯协议形色不一,每一个协议背后也都各自有支持的厂商,彼此不相容,难以形成统一标准。

“语言”不通为实时通讯带来很大难度,想享受“书同文,车同轨”式的便利,统一标准的TSN也就应运而生。

传统工业网络存在延迟和实时控制困难的问题,传输速度无法超过100 Mb/s,扩展性也因此受到影响。不同的通讯协议只能使用专有的硬软件,更是严重限制了用户使用的灵活性、设备互操作性,增加了维护和运营成本。

工业互联网时代,企业亟需最大程度保持敏捷、灵活,以提高效率和迅速响应能力,TSN的出现正解决了这一问题。

CLPA中国支部高级工程师杨凯表示,在目前的工厂网络里,不同的生产线上,可能会存在例如Profinet、CC-Link等不同的总线协议,不同产线之间的数据交互和信息化改造始终是用户的痛点。而传统的工业实时以太网,一般采取预留带宽的方式来保证数据的实时性和准确性,但可靠性和实时性的表现着实一般。

TSN作为以太网扩充的协议标准,在实现数据融合传输、打破信息孤岛,以及实现互联互通等方面展现出了前所未有的潜力。

TSN原本是起源于Ethernet AVB(Audio Video Bridging)的标准化规格,它在被赋予了同步时间、控制A/V机器机能、预约频宽等功能后,由IEEE(电气和电子工程师协会)不断增修,普及到了工业、汽车等行业,并在2012年将其正式改名为TSN。

显而易见,在未来,工业以太网将从个别规格向共通网络规格移转。

CLPA中国台湾地区事务局长陈重光介绍道,近年来,除了IEEE将该规格同步到IEC的国际标准规格上外,CC-Link协会、PI、OPC UA等开放式网络协会团体也正在研讨将TSN作为开放型网络的适用性。

陈重光表示,目前,TSN的各项征订规格的板块仍在组建当中,作为工业网络常会使用的技术规格,其中IEEE802.1AS-Rev和1588 PTP用于定义网络上连接机器的同步时间;IEEE802.1Qbv将通讯帧分类,确保优先通讯频宽;IEEE802.1Qbu则负责定义优先级的通讯帧,在进入优先度高的频宽时会分割通讯帧,并让优先度高的优先通行。

陈重光解释道:“在现有网络下,整体的通讯效率会受到低速通讯帧速度的影响,在使用TSN技术时,就像将公路上的快慢车道实行分离,让特定的通讯协议优先通行。”

抢先一步,研华发布TSN交换机

现如今,用户想要向TSN标准逐步靠拢,不仅需要具备TSN的网关进行不同协议之间的转换,还需要TSN交换机来传输和汇聚数据。

陈重光表示:“TSN因本身所具备的及时性、低延迟、高速大容量通讯,具备时间戳记、混合IP通讯等多种通讯协议功能,本领和优势更加显著。”

在TSN交换机的研发中,研华抢先一步。于此次会议正式发布EKI-8500G工业级TSN以太网交换机,成为当前全球为数不多的采用TSN芯片方案的TSN交换机。

EKI-8500G工业级TSN以太网交换机

该新品区别于市面上大部分利用FPGA(现场可编程门阵列)设计的TSN交换机,EKI-8500G采用TSN专用芯片设计,具备8个千兆RJ45端口+ 2个千兆SFP端口,以及双12〜48 VDC电源输入和1 x继电器输出。

EKI-8500G具备4大核心特色:时间同步、优先流量调度、时间感知整形器、高可靠的冗余资料传输。

所谓时间同步(IEEE 802.1AS):在传统的时间同步通讯架构中,设备之间的时间来源不一,及时性的需求也不一样,TSN能使时间不同步的设备共用一个精准的时间来源,这样的同步机制在半导体制造、汽车制造业等领域中,能够保障机器行云流水的运作。

所谓流量调度功能(IEEE 802.1Qbu):一般的通讯架构中,重要的OT资料出现的时候,也并不会中断正在传输的资料,使得重要讯息被延迟,从而带来停机损失。TSN的优先流量调度机制可以中断当前正在传输的低优先级资料,礼让重要资料先行,OT等重要的资讯就不会因此被抢占传输资源。

所谓时间感知整形器(IEEE 802.1Qbv):TSN的标准在资料队列中架设了时间开关的闸门,使得实时性资料在固定时间内传输,不受其他非实时性资料的影响。简单来说,这个机制是根据已知且设定的时间表来进行开关驱动。不同于传统交换机的QOS功能,TSN交换机会对优先等级高的数据采取预支、预留手段,以保障数据流通的实时性。

所谓高可靠性的冗余资料传输(IEEE 802.1CB):资料在传输的时候,设备会生成一份复制的备份档案,两份档案会走在不同的传输路径上,如果两者都顺利抵达,备份档就会被自动删除。如果有一条路径因故被中断,另外一条路径的备份档仍会抵达终点,确保资料被送到目的地。

除了可以实现以上4大功能外,为应对工业应用场景,新产品体积更小,可在-40~75℃的温度区间内稳定运转,林玉伟也补充道:“该产品让资讯传输的环境在拥有IT频宽的同时,具备了OT的精准和稳定性。”

研华EKI-8510G工业交换机,为IIOT工业物联网带来高时效、低延迟,及稳定可靠的运行能力。

未来除了交换机产品外,林玉伟也表示研华还会有更多交换机、网关、配置软件等TSN关键产品的推出计划。

那么如果工厂PLC等设备不支持TSN,要如何解决兼容问题?

林玉伟对此解释道:“TSN是一个统一的标准,老旧工厂内设备间想要支持TSN,当然还需要借助交换机、网关、对应的软件等产品。但以PLC为例,作为工厂里最主要的控制器,其技术匹配度已经走在设备的最前端。在TSN的各种以太网协议发布时,很多PLC厂商都嗅到商机,并积极、大力地推广,工厂的PLC产品一旦先行,周边的设备也一定要跟齐,因此产品设备的部分,客户其实并不用担心,厂商会帮我们解决。”

TSN开启IT和OT融合的新曙光

CLPA中国支部高级工程师杨凯表示:“相对于传统的CC-Link以及CC-Link IE,CC-Link IE TSN在开放性方面是史无前例的。”完全开放的架构也是为了方便更多厂商进行合作,以共同建立TSN标准的生态圈。

据悉,包括三菱在内的全球56家CC-Link IE TSN意向合作生产厂商,现已陆续推出从PLC、运动控制器到交换机、I/O、伺服、机器人等全线产品。除了CC-Link IE TSN外,Modbus、Profinet、EtherNet/IP等协议也都纷纷上新,加入TSN的大家庭中。

此外,在全球范围内,设置了多个TSN试验床,测试床旨在加速推动着技术落地,帮助TSN在不同行业,尤其是在交通、5G垂直市场应用、汽车、半导体等领域施展拳脚。

在本次线上会议上,四位专家不约而同都表现出了对TSN生态圈的乐观态度,认为未来有望在5年内建立亚洲TSN生态圈。

过去,一个新技术的发展演进,要先经过一连串小规模或特定应用的试点,然后再慢慢向全行业扩散。而TSN技术不一样,它像是个含着金钥匙降临的新生儿,因为行业的认可度极高,我们今天所看到的TSN发展现状,是多个领域协会和联盟共同推进的结果。

其实,TSN技术的未来已经到来。

未来,工业自动化和控制系统将致力于满足高可用性和实时通讯的需求。值得欣慰的是,标准组织和独立的网络协议供应商均已达成共识,洞见了这一发展趋势的潜力,共同携手推进TSN这一下一代工业网络标准。借助这股东风,脱离现有专属架构的限制,落地工业物联网和实现IT、OT融合的宏图大业又向前大跨了一步。让我们共同期待TSN产业生态圈的成型与壮大,未来让新兴通讯技术的基石,垫在每一个IIoT世界探索者的脚下。



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