數(shù)字化變革正在為工業(yè)自動(dòng)化和工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)振奮人心的新機(jī)遇，通過(guò)發(fā)展完善的工業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系，工業(yè)生產(chǎn)不必限制于單個(gè)環(huán)節(jié)的效率天花板，從而能夠通過(guò)更加合理的資源配置，實(shí)現(xiàn)效率的提升。然而這一目標(biāo)卻對(duì)未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求：不僅需要承擔(dān)傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，同時(shí)還需要承擔(dān)大數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)娜蝿?wù)。因此，要想充分發(fā)揮數(shù)字化變革帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建一個(gè)真正能夠“一網(wǎng)到底”的高帶寬、低延遲的確定性網(wǎng)絡(luò)必不可少。
更確切地說(shuō)，未來(lái)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施要具備確定性通訊能力，保證性能和服務(wù)質(zhì)量能與導(dǎo)致當(dāng)前自動(dòng)化孤島現(xiàn)象的各廠商專有協(xié)議水平相當(dāng)，甚至優(yōu)于專有協(xié)議。目前，全球眾多標(biāo)準(zhǔn)組織和供應(yīng)商正攜手為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)全新的統(tǒng)一基礎(chǔ)——時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Network，簡(jiǎn)稱TSN)，高性能半導(dǎo)體技術(shù)提供商ADI正是其中一員。
TSN這樣滿足自動(dòng)化實(shí)時(shí)通信需求
在工廠自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的背景下，實(shí)時(shí)意味著周期時(shí)間要安全、可靠地達(dá)到10毫秒以下(最低至微秒)，因此為了滿足自動(dòng)化的實(shí)時(shí)要求，需要保證傳輸帶寬和傳輸延遲。但是經(jīng)典以太網(wǎng)卻不能提供延遲和帶寬保證，相反，如果操作需要，以太網(wǎng)甚至可以隨時(shí)丟棄幀，許多問(wèn)題正是出在這里：
? 如果在峰值時(shí)間存儲(chǔ)的幀數(shù)多于網(wǎng)橋緩沖存儲(chǔ)器可以容納的幀數(shù)，則丟棄新傳入的幀。
? 由于幀長(zhǎng)不同，因此其延遲時(shí)間為其長(zhǎng)度的函數(shù)。這會(huì)導(dǎo)致延遲波動(dòng)(抖動(dòng))。
? 由于交換機(jī)應(yīng)通過(guò)其發(fā)送幀的端口可能已經(jīng)被其他幀完全占用，所以會(huì)導(dǎo)致額外的延遲。發(fā)送大型以太網(wǎng)幀(1522字節(jié))在100 Mbps速率下大約耗時(shí)124μs。
自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)通信
借助TSN，業(yè)界已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出符合IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)擴(kuò)展版本，成功地?cái)[脫了過(guò)去的限制。TSN擴(kuò)展了以太網(wǎng)第2層，納入了實(shí)時(shí)操作所需的一系列機(jī)制：
? 802.1AS/802.1AS-Rev考慮了網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘的高精度同步問(wèn)題。
? 時(shí)間感知整形器 (TAS) 選項(xiàng)使以太網(wǎng)能夠在硬調(diào)度模式下運(yùn)行。有了該選項(xiàng)，就可以在特定時(shí)間阻止/釋放QoS模型的一個(gè)或多個(gè)隊(duì)列。
? 搶占(穿插快速流量)選項(xiàng)使長(zhǎng)幀能夠被分解成更小的部分，從而最大限度地減小優(yōu)先級(jí)更高的幀的延遲。該選項(xiàng)可用于在速率超過(guò)100 Mbps時(shí)，優(yōu)化TAS的保護(hù)帶或替換TAS。
? 復(fù)制和消除幀以提高可靠性的選項(xiàng)可用于定義通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的冗余路徑。
? 使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò)意味著幀不再通過(guò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的硬件MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，而是通過(guò)特殊MAC地址(本地管理的多播MAC)和VLAN ID的組合轉(zhuǎn)發(fā)。不再自動(dòng)確定這些幀在網(wǎng)絡(luò)中的路由方式，而是由軟件進(jìn)行配置。多播MAC和VLAN ID的這種組合稱為流ID，具有相同流ID的所有TSN幀稱為TSN流。TSN流始終只有一個(gè)發(fā)件人，但可以有多個(gè)收件人。
鑒于現(xiàn)有資源，現(xiàn)在可以用特殊的方式組織TSN流，不再需要丟棄幀。現(xiàn)在，網(wǎng)橋?qū)⑵滟Y源用于TSN流的無(wú)損轉(zhuǎn)發(fā)。
以太網(wǎng)幀(其中，與TSN數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)相關(guān)的部分以綠色表示)
通過(guò)802.1AS-rev，TSN還定義了可互操作的統(tǒng)一方法，用于同步網(wǎng)絡(luò)中的分布式時(shí)鐘。這些都使得在硬實(shí)時(shí)應(yīng)用以及所有其它應(yīng)用(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、SSH等)中，共用電纜成為可能。
實(shí)現(xiàn)既有系統(tǒng)向TSN的低成本過(guò)渡
在各方面，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)都是旨在讓客戶能夠輕松順利地過(guò)渡到TSN。今天，我們可以有把握地說(shuō)，現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)在一夜之間消失。與之相反，任何人當(dāng)前正在使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或類似普遍的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，他們都可以很有把握地假定，在10年內(nèi)他們還是能夠使用這些協(xié)議運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，并獲得支持和替換部件。
TSN網(wǎng)絡(luò)與PROFINET和EtherCAT相結(jié)合
所有工業(yè)以太網(wǎng)組織都提供了模型，用來(lái)描述現(xiàn)有工廠如何與基于TSN的新設(shè)備協(xié)同工作。現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的接口由網(wǎng)關(guān)(Sercos)、帶耦合器(EtherCAT)或沒(méi)有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口組成，特別是PROFINET和EtherNet/IP計(jì)劃將其完整協(xié)議作為第2層用于TSN，這使得逐步過(guò)渡到TSN成為可能。
多協(xié)議強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，實(shí)現(xiàn)更大的普適性
伴隨著TSN，工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域也正涌現(xiàn)出新的協(xié)議：帶有新傳輸協(xié)議PUB/SUB的開(kāi)放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)OPC UA與TSN一起，已被視為傳統(tǒng)協(xié)議的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。有人將OPC UA用作應(yīng)用層，TSN被視為使該協(xié)議具有實(shí)時(shí)能力的手段。但是，這里還有大量的工作要做，傳輸需要新的OPC UA傳輸層(即所謂的OPC UA PUB/SUB協(xié)議)。OPC UA通過(guò)其地址空間形成通用應(yīng)用接口，而TSN為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)添加實(shí)時(shí)能力并實(shí)現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)速度。因此，通過(guò)發(fā)布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)是有意義的。
OPC UA不僅是一種用于連接客戶端和服務(wù)器的協(xié)議，同樣也是一種信息模型，其優(yōu)勢(shì)在于地址空間。OPC UA非常靈活，允許將現(xiàn)有用戶接口(工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的配置文件)映射到OPC UA，因此，現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的幾乎每個(gè)配置文件在OPC UA地址空間中都有表示，在工業(yè)4.0的框架下，OPC UA被視為未來(lái)非常有前途的通用語(yǔ)言。相比之下，TSN是IEEE-802.1以太網(wǎng)的擴(kuò)展，具有完整的一系列新能力，旨在讓以太網(wǎng)更具確定性和實(shí)時(shí)性。因?yàn)轭A(yù)計(jì)未來(lái)將有眾多制造商生產(chǎn)支持TSN的硬件，所以也可以把它視為實(shí)時(shí)通信的平民化。幾乎每種協(xié)議都可以通過(guò)TSN獲得實(shí)時(shí)能力。
在此背景下，pub/sub工作組的目的就是在TSN的幫助下，為OPC UA指定一種實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議。這將使OPC UA具備實(shí)時(shí)性，從而可以替代工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它將受到傳統(tǒng)PLC以上層次的熱烈歡迎，因?yàn)閬?lái)自不同制造商的控制器將能與OPC UA實(shí)時(shí)交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因而其魯棒性會(huì)比目前所能實(shí)現(xiàn)的要更高。
一顆芯片，支持多種以太網(wǎng)協(xié)議
ADI公司推出的fido5000系列是面向工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議交換機(jī)(REM交換機(jī))，能支持當(dāng)今所有主要工業(yè)協(xié)議，利用fido5000現(xiàn)在就可以將產(chǎn)品規(guī)劃過(guò)渡至TSN并同時(shí)滿足當(dāng)前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERlink、EtherNet/IP等)。交換機(jī)靈活的架構(gòu)能夠適應(yīng)協(xié)議未來(lái)的變化，并且支持未來(lái)的協(xié)議及其他發(fā)展，借助fido5000還將使實(shí)現(xiàn)OPC UA PUB/SUB成為可能。
fido5000功能概覽
除了單芯片fido5000，ADI同時(shí)還提供基于fido5000電路板級(jí)完整解決方案的RapID平臺(tái)。RapID平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了所有常見(jiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可輕松集成到非以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。這使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠滿足工業(yè)4.0應(yīng)用的要求。常見(jiàn)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)均已經(jīng)過(guò)預(yù)先認(rèn)證。RapID平臺(tái)另一個(gè)有趣的功能是動(dòng)態(tài)集成的Web服務(wù)器。通過(guò)此功能，它允許用戶很方便得讀取和修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，輸入及輸出數(shù)據(jù)。
基于fido5000的RapID平臺(tái)
fido5000 REM交換芯片和RapID平臺(tái)已經(jīng)為基于當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和未來(lái)TSN標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用提供了最佳的前提條件。
