自动化中的TSN:我们目前在哪里?

如今,任何从事工业通信的人都必然会遇到时间敏感网络(TSN)的问题。TSN肯定会来; 唯一需要澄清的是它何时以何种形式出现。然而,即使在今天,它在工业通信方面的优势也并不总是很明显。

历史

以太网在20世纪80年代早期被引入办公室,并且很快变得非常受欢迎,因为它的吞吐量(当时)高达10 Mbps。但是,这种以太网对于实时应用来说并不实用,因为它使用了一种称为派对线路的通用介质。在高利用率下发生的碰撞导致办公室环境中出现问题。
在其发展的下一步中,通过引入交换网络消除了冲突。此外,随着服务质量(QoS),引入了以太网数据报优先级。
对于工业应用,保证延迟尤为重要。尽管存在QoS,但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。
这有几个原因,主要原因是商用多端口交换机中常用的存储转发策略以及无法保留带宽这一事实。
 
 
 
图1
图1.以太网帧:与TSN数据流识别相关的数据字段以绿色显示。
存储和转发意味着交换机在转发之前会收到完整的数据报。这在交换机的处理方面具有优势,但它也带来了潜在的问题,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量。如果级联开关,则效果会放大。
  • 由于交换机没有无限的存储容量,如果网络出现过度使用(流量太大),它可以拒绝数据报; 这意味着数据报 - 即使是那些给予更高优先级的数据报 - 也可能会丢失。
  • 长数据报可以阻塞端口相对较长的时间。
开关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经常用于自动化。这些改进的拓扑结构显着降低了以太网安装布线要求和成本 因此,在工业中,采用直通策略的2端口交换机被集成到现场设备中。直通意味着数据报在完全接收之前被转发。
 
 
 
图2
图2.拓扑。
必须保证始终有足够的带宽(和缓冲空间)可用于高优先级数据报。标准以太网尚未提供。

一个尺寸适合所有:工业以太网到现在

由于经典以太网没有足够的带宽预留能力,自动化专家在2000年开始开发自己的以太网扩展。然而,他们采取的路径差异很大。在以下方法之间进行区分:
  • 使用以太网作为现场总线传输介质的协议。这些协议要求完全控制以太网介质。经典的TCP / IP通信仅在搭载样式可以通过现场总线(EtherCAT的®和POWERLINK ®)或通过现场总线(的Sercos)分配一个信道。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保证带宽预留的协议。PROFINET ® IRT应该在这里提及。IRT可在运行软实时或背景流量的同一电缆上实现硬确定性实时数据传输。用于传输路径的精确定时模型对于时间片的规划是必要的。
  • 基于共享以太网电缆的协议。这些协议使用QoS,并且在工厂和过程自动化应用程序中处于家中。PROFINET RT和EtherNet / IP是值得注意的例子。这些协议仅限于软实时范围(周期时间≥1ms)。
 
 
 
图3
图3.时序模型:PHY,电缆和开关导致数据传输延迟。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。
对于这些标准,需要特殊的硬件支持,因此需要特殊的ASIC。由于PROFINET RT和EtherNet /IP®也基于带有直通功能的嵌入式2端口交换机,因此它们也不能免除。灵活的基于硬件的多协议解决方案,如ADI公司的fido5000,可以优雅地解决问题。

输入TSN

通过TSN,已成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展,可以摆脱过去的限制。因此,现在在ISO 7层模型中存在标准化的层2,其具有与先前以太网的向上兼容性和硬实时能力。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。由于通常使用TSN进行尽力而为通信,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),可以使用电缆。在这方面,TSN与PROFINET IRT没有什么不同,它也提供了相当的性能。
TSN的新特性是需要更广泛的网络配置。可以实现集中或分散配置。目前正在讨论和实施这两种类型的配置。两种配置机制之间的互操作性是未来的发展目标。

那是好事和花花公子,但TSN的实际优势是什么?

最常见的答案是,在市场较大的情况下,市场上也会出现价格较低的网络接口。毕竟,TSN也将在未来的楼宇自动化和汽车行业中找到。事实上,嵌入式TSN解决方案的市场预计将远远大于当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的最大技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同,TSN没有针对特定的传输速率进行定义。与1 Gbps,10 Mbps或5 Gbps一样,TSN可用于100 Mbps。
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Gbps,100 Mbps还是10 Mbps,都使用统一的2-IEEE802.1 / TSN层。
统一的网络基础设施还可以帮助人员设置和维护网络,因为由于TSN,解决方案现在可以用于自动化以外的领域:建筑,工艺,工厂自动化和能源分配等。
这为我们带来了下一个优势,即训练因素。TSN已成为许多大学的主题,主要是在研究阶段。但是,技术和职业学院已经开始对这一主题表现出兴趣。我们可以相当安全地说TSN将成为工程师,技术人员和技术工人的基础知识。不再需要对不同的现场总线进行再培训。

布朗菲尔德,或今天的协议将会发生什么?

几乎所有与TSN相关的工作组都有一个反复出现的主题:如何保护向TSN的过渡以及对现有设施的供应,例如Br​​ownfield应用?
 
 
 
图4
图4. Brownfield:TSN段与PROFINET和EtherCAT相结合。
在所有方面,重点放在使客户能够轻松顺利地过渡到TSN。今天已经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,EtherNet / IP,EtherCAT或类似的广泛工业以太网协议的任何人都可以安全地假设他或她也能够使用这些协议运行网络,并在10年内获得支持和更换部件' 时间。
所有工业以太网组织都提供描述现有工厂如何与新的基于TSN的设备协作的模型。现有工业网络的接口由网关(Sercos),耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊硬件(PROFINET RT)构成。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。
总之,TSN将在新安装中随处可见,也可以以逐步引入现有装置的岛屿或段的形式出现。
然而,对于TSN,工业以太网领域将有新的参与者。OPC UA采用新的传输协议PUB / SUB与TSN结合,已被视为传统协议的竞争对手。对于现场设备制造商而言,这意味着必须支持经典的工业以太网解决方案以及TSN和新的播放器。

TSN和ADI公司

ADI公司在一年多前收购了工业以太网领导者Innovasic,现在已成功集成它。与Innovasic一起,fido5000系列工业2端口交换机被纳入ADI公司的产品组合。fido5000系列中的交换机支持所有相关的工业以太网协议,并且已经准备好TSN。
使用fido5000,可以实现向TSN过渡并同时满足当今要求(PROFINET IRT,EtherCAT,POWERLINK,EtherNet / IP等)的产品。fido5000也可以使用OPC UA PUB / SUB。多亏了fido5000,TSN将成为可以针对现有系统进行规划的更新。
fido5000系列正在不断改进。将提供用于Gb应用的新产品,但10 Mb / 100 Mb产品也将继续并根据客户要求进行调整。
由于fido5000系列具有灵活性,因此可以可靠,高效地进行TSN迁移。

TSN是一个机会

TSN使得为所有工业通信创建统一的基础成为可能。一旦引入TSN,ISO 7层模型的第1层,第2层和第3层将在工业中统一。这将使可扩展性和性能达到全新水平。
上层的沟通是否也会基于此标准化?是否有统一的OPC UA PUB / SUB?有可能。使用fido5000系列,用户可以为所有场景做好准备。

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