从Ethernet到TSN:实时通信一小步,工业4.0一大步

如今,许多工业自动化应用对于延迟的要求非常严格,以满足实时数据传输的需求。但是,现有的大部分自动化控制解决方案都是基于传统的以太网实现的,而且各大厂商还研发了一些附加的技术机制,从而导致了很多协议都不兼容。

阅读《下一代工业通信—TSN(时间敏感网络),工业物联网的助推器》一文,可了解TSN基础内容

由于各大厂商协议互不兼容,使实时以太网解决方案市场严重分散,无法支持未来工业网络的发展。幸运的是,时间敏感网络(TSN)迎合了工业以太网的需求,代表了可靠和标准化工业通信技术发展的下一步。

以太网VS时间敏感网络

如今,任何从事工业通信的人都会遇到时间敏感网络(TSN)这个话题,感觉TSN肯定会来到这里。但TSN将会何时或以何种形式到来,并没有一个明确的答案。同时,即使在今天,人们对TSN在工业通信领域的优势也并不是很了解。

历史

以太网在20世纪80年代早期被引入办公室,并且由于其吞吐量(当时)高达10 Mb / s而广受欢迎。但是,这个以太网对于实时应用程序并不实用,因为它使用了一种称为party line的通用介质,在网络高负荷情况下容易发生冲突。

图1 在此以太网帧中,与TSN数据流识别相关的数据字段以绿色显示

在接下来的发展中,人们通过引入交换网络消除了冲突问题。此外,随着服务质量(QoS)的提出,还引入了以太网数据报优先级(图1)。

对于工业应用,保证延迟尤为重要。尽管存在QoS,但在办公室中使用的标准以太网只能保证延迟到某一点,特别是在网络利用率很高的情况下,延迟非常严重。这里有很多原因,但主要问题还是多端口交换机中常用的存储转发策略和带宽预留能力不足。

存储和转发意味着交换机在转发之前必须接收到完整的数据报。这种机制在交换机的处理数据方面有优势,但也带来了一些潜在的问题,这些问题可能会对延迟和可靠性产生负面影响:

  • 通过交换机时,数据报会根据其长度延迟一定时间。如果是级联交换机,则延迟效果会更明显。
  • 由于交换机没有无限的存储容量,如果网络出现过度使用(流量过大),它可以拒绝数据报,即使是那些优先级更高的数据报也有可能会丢失。
  • 长数据报可以在相对较长的时间阻塞端口。

交换机级联从一开始就对工业环境构成了挑战。除了IT领域中使用的星形拓扑外,线路,环形和树形拓扑结构也经常用于自动化(图2)。这些改进的拓扑结构显著降低了以太网安装布线要求和成本。因此,在工业中,通常将采用直通策略的双端口交换机集成到现场设备中。直通意味着数据报在完全接收之前就被转发,从而大大提高了转发效率。

图2

由于经典以太网没有足够的带宽预留能力,自动化专家们在2000年开始自己对以太网标准进行了扩展。但是,扩展后的以太网差异很大。以下是具体的分类:

  • 使用以太网作为现场总线传输媒介的协议。这些协议声称他们自己完全控制了以太网媒介。经典的TCP / IP通信只能通过现场总线(EtherCAT和POWERLINK)或通过现场总线(Sercos)分配的通道进行数据传输。带宽控制牢牢掌握在现场总线手中。
  • 通过以太网上的时间分片程序来保证带宽预留的协议(图3)。这里要提到PROFINET IRT。IRT使硬确定性实时数据可以在同一电缆上传输。为了对时间片进行规划,需要为传输路径建立精确的时序模型。
  • 基于共享以太网电缆的协议。这些协议使用了QoS,在工厂和过程自动化的应用中都是很常见的。PROFINET RT和 EtherNet/IP是值得注意的例子,这些协议被限制在软实时(周期时间≥1毫秒)的范围内。

对于这些标准,需要特殊的硬件支持和专用集成电路。由于PROFINET RT和 EtherNet/IP也是基于嵌入式的带直通的双端口交换机,所以它们也不例外。

图3 PHY,电缆和交换机导致数据传输延迟。必须使用时隙方法(PROFINET IRT和TSN时间感知整形器(TAS))来考虑这一点。

TSN出现了

通过TSN,已成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展,可以摆脱过去以太网的限制。因此,现在在ISO7层模型中有一个标准化的第2层,它向上兼容以前的以太网和硬实时性。通过802.1AS-rev,TSN还定义了一种可互操作的统一方法,用于同步网络中的分布式时钟。

由于以太网中的“尽最大努力”的通信原则总是与TSN并用,因此对于硬实时应用程序以及所有其他应用程序(Web服务器,SSH等),都可以使用电缆进行数据传输。在这方面,TSN与PROFINET IRT没有什么不同,它提供了相当可靠的性能。

TSN的新特点是需要更广泛的网络配置。可以进行集中或分散配置。目前正在讨论和实现这两种类型的配置,这两个配置机制之间的互操作性是未来的开发目标。

优势
随着TSN市场越来越大,较便宜的网络接口也会出现在市场上。毕竟,TSN将来也会应用到建筑自动化和汽车工业中。事实上,嵌入式的TSN解决方案的市场规模预计将远远超过目前所有工业以太网解决方案的市场。

与以前的工业以太网方法相比,TSN最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同的是TSN没有针对特定的传输速率进行定义。TSN可以用于100 Mb / s,就像1 Gb / s,10 Mb / s或5 Gb / s一样。

它还可以更好地优化拓扑结构,因为现在可以为各个段选择适应的数据速率。无论是Gb / s,100 Mb / s还是10 Mb / s,都使用统一的2-IEEE802.1 / TSN层。

统一的网络基础设施也减轻了负责设置和维护网络人员的工作负担。因为TSN解决方案现在不仅可以用于自动化,还可以用于建筑,工艺和工厂自动化,能源分配等。

如何过渡到TSN
在所有与TSN相关的工作组中,都有一个反复出现的主题:如何向TSN过渡?

不管从哪一方面来说,如今的工作重点是如何使客户顺利地过渡到TSN。现在可以说,现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。相反,今天使用PROFINET、以太网/IP、EtherCAT或类似广泛使用的工业以太网协议的任何人都可以放心地认为,他或她在10年后也能够使用这些协议操作网络,并可以获得相关的替换部件。

图4 TSN段与PROFINET和EtherCAT结合使用。

所有工业以太网的组织都提供了描述现有工厂如何与基于TSN的设备结合的模型。现有工业网络的接口由网关(Sercos),耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊的硬件(PROFINET RT)构成(图4)。特别是,PROFINET和EtherNet / IP计划在TSN上将其完整协议作为第2层提供。这使得逐步过渡到TSN成为可能。

然而,对于TSN,工业以太网领域也会有新的参与者。具有新传输协议PUB / SUB的OPC UA与TSN一起,已经成为传统协议的竞争者。对于现场设备制造商而言,他们的设备必须支持经典的工业以太网解决方案,以及TSN和新的玩家。

时间敏感网络市场的主要制约因素

随着TSN成为通用计算,车辆,工业自动化和楼宇自动化中的多模通信的主流,TSN的欢呼声继续增长。然而,阻碍TSN发展的重要因素是缺乏时间管理的完整解决方案。这是在ODVA 2018年工业大会中重点提出的问题。

没有定义的、独立于供应商的时间管理和形成标准
TSN的愿景已被表达为所有形式通信的通用通信管道,包括多媒体,音频,视频,数据,工业自动化网络。然而,在ODVA 2018年工业大会有人向专家组询问是否有一个解决方案来创建一个独立开放的,由第三方管理的时间同步标准时,小组中的没有一个人对这一难题做出回答。一位小组成员评论说:“有意思……”。显然,没有任何办法可以解决这一关键问题。

作为一个工程化的网络,TSN有一个最基本的元素:用于所有应用程序与时间进行通信的管理器,该管理器需要定义这些应用程序和网络节点之间如何通信。Belden的Stephan Kehrer将中央网络管理器解释为一个具有全局网络视图的逻辑实例。此管理器知道网络中的设备、它们的功能、链路和设备所连接的链接速度等等。通过对网络拓扑结构和设备能力的了解,以及终端设备之间通信关系和需求的附加应用知识,中央网络管理器能够确定并指定网络中的数据流。这有利于提高网络利用率,并允许不同类型的流量同时存在。由于TSN是一种在数据链路层(OSI模型的第二层)上提供通信的技术,所有利用TSN进行通信的高层协议都可以由中心网管进行处理。事实上,在一个融合的网络中,不同类别的网络流量共存是TSN能够提供的最大优势之一。

复杂性
TSN需要在整个网络中进行更高的处理速度,包括以太网交换机、路由器和每个节点(PLC、过程控制器、传感器、边缘设备)。此外,软件配置需要更多的用户交互,以指定需要集成到时间和网络管理方案中的时间和确定性需求。随着时间的推移,这种复杂性可能会集成到高容量的硅片上和即插即用软件中。这有点像以太网的发展,在1980年推出后的早期,需要昂贵的计算机主板和复杂的软件配置。

广泛采用
只有基于广泛采用的TSN商业化才能取得成功,因为TSN是一种经过验证的可靠网络方案,可在确定的确定时间内提供数据,以满足任何应用需求。

通过与行业专家和供应商的多次演讲和讨论,有些人认为TSN成功的很大一部分是汽车行业正在采用这种技术。TSN可能会用于车载通信,这有利于使该技术商业化。有多种技术在汽车行业争夺这一地位,目前尚不清楚获胜者。汽车应用需要通过严格的一致性和认证,才能推动网络架构设计。

工业协议变更
凭借功能更强大的工业控制器,过程控制器,PLC和智能边缘设备,对工业自动化协议的需求可能会消失。有些人可能认为工业和过程自动化信息需要高度紧凑才能有效,但这与技术趋势并不一致。曾经有一段时间人们认为互联网协议语音(VOIP)是不可能的,但是随着更高带宽的网络连接以及以太网服务质量(QOS)功能,它已经完成。在工业领域中,OPC UA为广泛的工业和过程自动化应用提供了环境和开放的数据模型。

多供应商互操作性
总而言之,TSN并没有解决用户多年来一直在抱怨控制器与控制器通信的多供应商互操作性问题。这个问题一直是由进步的供应商来解决的,他们使用OPC UA和OPC Foundation / PLCopen标准来完成控制器到控制器的通信。

单个网络的概念,集成了实时工业控制,IT,OT,视频和其他数据通信,这听起来很吸引人,但正如本文所强调的那样,这将是一个非常复杂的网络方案。复杂性往往会对质量,可靠性和可用性产生负面影响,这可能会成为实施时间敏感网络的致命障碍。

TSN的理论到实践

由于物联网在众多领域的广泛整合,全球工业以太网市场基本上已经崛起。从技术上讲,工业以太网在更好的确定性方面是对传统以太网的改进。事实上,增强的确定性是推动工业以太网市场的主要因素之一,因为工业环境对确定性有着苛刻的要求。每次都必须精确地传送和接收数据包,而数据延迟可能会发生灾难性的后果。

工业以太网市场参与者正在努力地描述以太网技术渗透到制造业生态系统的程度。目前,参与商业领域的公司比如思科、Broadcom、National Instruments、Belden等一直致力于开发专为恶劣环境设计的TSN交换机、芯片、软件平台等。

为了确保TSN供应商的互操作性,思科一直是AVnu的积极参与者。思科的工业以太网(IE)4000系列交换机为工业领域提供卓越的高带宽交换(第2层)和经过验证的基于Cisco IOS软件的路由(第3层)功能。IE 4000系列交换机可承受极端环境,同时符合整体IT网络设计,合规性和性能要求。它们使用思科弹性以太网协议(REP)提供高度安全的访问并且支持工业协议。具有更高的整体性能,更大的带宽,更全面的功能集和增强的硬件,可提供:

  • 具有Cisco DNA Center管理的扩展企业功能,并支持物联网的软件定义访问扩展
  • 带宽和容量:40-Gbps无阻塞交换容量,每个交换机最多20个千兆以太网端口
  • 一个简单的,即用即付的软件升级路径,带有通用软件映像
  • 它支持高密度工业PoE / PoE +支持,可为多达8个电源设备提供在线电源,如IP摄像头,电话或无线接入点。

图5

Broadcom的 Quartz BCM53570是一个完全兼容的TSN以太网交换芯片的例子。它实现了多个802.1标准:802.1Qca路径控制和预留; 802.1Qbv时间感知整形器; 802.1Qbu / 802.3br帧抢占; 802.1Qch循环排队和转发(蠕动整形器); 802.1AS-Rev,1588 v2定时和同步; 802.1Qcc流预留协议增强; 基于802.1Qci时间的入口策略器; 802.1CB帧复制和消除可靠性; 和802.1CM前端网络配置文件。

图6

2016年NI宣布与工业互联网联盟(IIC)以及博世、英特尔、库卡机器人、施耐德电气以及TTTech等公司合作开发了全球首个时间敏感网络(TSN)测试台。TSN已经用于在NI的功率微电网试验台。该平台集成了各家的硬件和软件。本质上,它使用TSN来同步和管理电网之间的电力分配,非常类似于系统中的微电网,它与各种电源(如风能和太阳能)和包括主电网在内的配电系统相连接。

2017年NI宣布推出两款新的多时隙以太网机箱。在cDAQ-9185和cDAQ-9189中采用基于时间同步最新以太网标准,该两款机箱提供与TSN的紧密时间同步,以简化和改善同步分布式系统的可扩展性。具体表现为:

  • 通过网络实现精确的同步定时,无需冗长的物理定时电缆,并确保紧密同步的测量,从而实现精确分析。
  • 通过集成的网络交换机进行简单的daisy chaining连接,以便在分布式应用中快速设置和扩展。
  • 工作温度范围-40°至70°C,抗冲击性高达50 g,抗振性高达5 g,在恶劣环境中能可靠运行。
  • 通过NI-DAQmx驱动程序进行软件抽象,该驱动程序可以自动同步多个机箱以进行简单编程。

2017年信号传输产品供应商Belden发布了其模块化管理的Hirschmann交换机类型RSPE35和RSPE37的软件更新(如下图所示),这使得在这些交换机上实现TSN功能成为可能。此外,这两种RSPE类型的旧交换机也可以针对TSN技术进行升级。

图7

根据Belden的说法,RSPE产品系列的管理型交换机包括一个带有八个双绞线和四个组合端口的基本单元,可以通过各种媒体模块进行扩展。RSPE35和RSPE37版本支持符合IEEE 1588-2008的精确时间协议(PTP),并具有现场可编程门阵列(FPGA)模块,这意味着可以实现基于硬件的选择性冗余机制,如高可用性无缝冗余(HSR),并行冗余协议(PRP)。新的软件更新(也支持TSN)现在可以加载到FPGA中,作为以前冗余机制的替代方案。

Moxa是专为恶劣环境设计的工业以太网产品的领先制造商; 包括以太网交换机,无线AP /网桥/客户端,蜂窝网关,安全路由器,IP摄像机,视频服务器,远程I / O和控制器以及嵌入式计算等等。2018年4月19日,Moxa宣布它正在积极参与工业互联网联盟(IIC),并将正式加入TSN互操作性测试平台。通过测试平台中的这些活动,Moxa可以严格测试TSN的互操作性,并确保在上市前稳定可靠。

2018年10月德州仪器(TI)推出业界首款多协议千兆位时间敏感网络处理器系列产品。高度集成的Sitara AM6x处理器系列提供工业级可靠性,内置四臂和双臂Cortex-A53内核,可满足工业自动化和电网基础设施中工业4.0的快速发展需求。通过支持特定子系统中TSN标准和其他工业协议的千兆吞吐率,Sitara AM6x处理器可以在单个网络上融合以太网和实时数据流量。此功能对于工业4.0应用程序中的实时通信至关重要,并且可在工厂中实现软件可重新配置的网络物理系统。

图8

Wind River的工业物联网(IIoT)平台,称为Titanium Control (参见“ Wind River虚拟化IIoT ”),利用TSN将运行在虚拟机(VM)上的控制应用程序与网络化控制系统连接起来。这基本上让设计人员实现了软编程逻辑控制器(PLC),使逻辑在虚拟机中运行,而网络设备依旧可以采样数据并执行PLC的操作。

西门子在2018自动化峰会上,西门子自动化产品和系统副总裁Rainer Brehm解释了西门子如何在Profinet和OPC UA中使用TSN。他强调了西门子TSN战略的三个关键工业网络通信方面:

  • OPC UA将用于非循环数据的垂直通信和控制器
  • Profinet将用于现场级的循环和实时I / O数据交换;
  • 由于OPC UA和Profinet可以共享同一个网络,因此它们将一起使用,以便将现场级设备数据发送到SCADA,MES和ERP系统以及云。

Brehm强调了2018年汉诺威工业博览会西门子TSN演示,该演示展示了在高网络负载条件下,使用TSN可以保证机器之间稳健可靠的以太网通信。西门子将OPC UA pub / sub与TSN一起用于M2M通信,以连接两个机器人,每个机器人通过Profinet与Simatic控制器通信。虽然西门子的第一批基于TSN的产品即将上市,但Brehm表示,“可能需要几年时间才能完成(IEEE TSN)标准,并建立(TSN)生态系统。

2017年11月,英特尔公司TTTech宣布合作开发基于FPGA的TSN解决方案,该解决方案将TTTech的TSN以太网IP与英特尔SoC FPGA平台相结合。2018年10月TTTech和英特尔联合发表了一份白皮书,为寻求在工业自动化系统中实现TSN网络技术的客户提供指导。白皮书概述了所有的TSN标准、优点和特点,并描述了TTTech和英特尔今天可用的产品如何用于开发优化的TSN设备和系统。

图9


来源《TTTech与Intel联合发布TSN白皮书,强调FPGA在TSN中的应用》一文

2019年TTTEch公司的TSN产品有DEIP解决方案、DEPCIe Card Edge、Slate XNS等。
DEIP解决方案边缘是一个IP核心和一个嵌入式软件包,为基于FPGA的设备提供TSN交换端点功能。多达5个10/100/1000Mbit/s交换机端口支持TSN标准特性,包括时间同步、业务调度、帧抢占和无缝冗余和维持。嵌入式软件包括NETCONF服务器、802.1AS堆栈和Linux操作系统的交换机驱动程序。

DEPCIe Card Edge是一个网络接口卡,它集成了定义的特征集和基于Cyclone SoC的开箱即用硬件中的DEIP解决方案边缘的软件设计。该卡可用于快速地将具有PCI Express (PCIE)接口的交换端点功能添加到现有设备中。

图10 TTTEch TSN产品的系统级设计(2019及以后可用)


来源《TTTech与Intel联合发布TSN白皮书,强调FPGA在TSN中的应用》一文

Slate是一系列网络配置产品,可用于为TSN网络建模拓扑、创建调度和部署配置。Slate软件产品包括NETCONF客户端、REST服务器和TTTEC强大的调度引擎。因为Slate支持标准接口,所以它可以用来调度和配置任何符合标准的TSN设备。

恩智浦的LS1021A时间敏感网络(TSN)参考设计是一个平台,允许开发人员使用新的IEEE时间敏感网络(TSN)标准设计解决方案。该平台包括QorIQ Layerscape LS1021A工业应用处理器和SJA1105T TSN交换机。LS1021ATSN由带有Xenomai实时Linux的工业Linux SDK提供支持,该SDK还提供了在SJA1105T上配置TSN的实用程序。

LS1021ATSN具有虚拟化功能,信任架构安全平台,千兆以太网,SATA接口和用于多个无线模块的Arduino Shield连接器,可随时支持工业物联网需求。

结语

为了实现工业4.0和IIoT的网络物理系统的部署,IT和OT网络之间需要融合。TSN使这些网络融合成为可能,在网络连接,可扩展性以及部署和成本方面创造了显著的优势。正如在紧急情况下救护车或消防车比其他交通工具的优先级更高一样,TSN标准确保了时间敏感的重要数据能够按时通过标准网络设施进行传输。欢迎进入工业物联网时代的快节奏生活。

参考

1.https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/what-s-difference-between-ethernet-and-time-sensitive-networking
2.https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/tsn-converging-networks-better-industrial-iot
3.https://www.automation.com/time-sensitive-networking-tsn-vision-unifying-business-industrial-automation
4.https://www.automation.com/portals/industrial-networks-field-buses/tsn-time-sensitive-networking-lack-of-timing-mechanism-remains-an-elephant-in-the-room


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SDNLAB君 发表于19-01-29
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