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时间敏感网络 (TSN) 助力智慧工厂升级的时机成熟了吗?

张杰     2020年12月4日
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建造智慧工厂并非易事。过去,工厂需自行搭建独立的多层网络架构,来确保工作站、生产线、控制中心实现效率最优,保障各类应用和功能顺畅运行。

工业 4.0 不仅能提高产能、降低成本,还将催化大规模定制生产。这一新生产方式的前提条件是工厂内所有设备互联互通。在实际操作中,这意味着信息技术 (IT) 网络与操作技术 (OT) 网络的融合,所有终端设备相互连接,实现从原材料、生产到交付客户各阶段数据的集中采集。工厂再根据这些实时信息不断优化生产策略。

系统集成商如想帮助采用传统多层网络的工厂完成智能化转型,将面临确保技术可行性、额外构建网络、维护成本增加等严峻挑战。要建立真正意义上的智慧工厂,首先需要打破传统多层网络架构。

自动化行业一直期待构建统一网络,解决当下许多工厂面临的挑战。在这一点上,时间敏感网络 (TSN) 技术可以发挥作用。基于标准以太网,TSN 可以在全网范围内实现时间同步、最优管理,并且延时少、可靠性高,同时支持不同工业以太网协议。因此,TSN 能有效解决 IT 和 OT 融合而产生的问题、打破自动化孤岛壁垒,实现工业 4.0 勾勒的未来。

由工业自动化领导企业组成的标准制定组织 ODVA 指出:“TSN 标准专门针对通过工业以太网发送的时间关键数据,解决 IT 与 OT 融合产生的数据传输量激增问题。”

TSN 技术虽已历经多年发展,但计划建造智慧工厂的企业仍在观望这一技术究竟能给行业带来什么实际惠益。TSN 技术目前尚未付诸实施,但系统集成商期待 TSN 技术能商业化,并形成更加完整的 TSN 生态系统。

然而,更重要的问题依然是:目前 TSN 可以用于打造智慧工厂了吗?

我们认为,要成功部署 TSN 技术需满足三个关键条件。

条件 1:支持工业以太网协议

工业通讯技术对工厂运行必不可少。工业以太网协议在工厂 OT 网络中发挥重要作用。不同组织为满足自身应用系统的需求而制定不同协议,导致设备、生产线、应用各自独立运行,系统之间很难相互通讯和协作。

自 TSN 技术问世以来,主要工业以太网协议组织开始积极制定新的标准,开发与 TSN 兼容的工业以太网协议。因此,不同工业以太网协议生态系统用户得以充分利用最新 TSN 技术。

例如:CC-Link 协会 (CLPA) 于 2018 年完成并发布了基于 TSN 标准的“CC-Link IE TSN”规范。随后发布白皮书,通过汽车涂装车间、半导体加工工具等应用案例,展现统一网络使用 CC-Link IE TSN 协议后的实际优势。截至 2020 年 9 月,CLPA 共有 300 多家企业会员,其中有几家制造企业已推出符合 CC-Link IE TSN 标准的产品。

在全球拥有 1,700 位会员的 PI 国际组织于 2019 年 7 月发布“PROFINET 规范 V2.4”,令 TSN 网络支持基于 PROFINET 的工业通讯。除了证明 TSN 技术的可行性,该组织正率先推动 TSN 生态系统发展。

OPC 基金会于 2018 年发起“OPC 统一架构现场级通讯倡议”,旨在运用开放、统一的方式部署包含 TSN 和相关应用配置文件的 OPC 统一架构。OPC 基金会首次汇聚诸多工业自动化领域的领军企业加入联合项目,力图开发现场级实时通讯协议,满足未来基于 TSN 技术的工业自动化系统需求。虽然此标准尚在制定中,但 2019 年 4 月德国汉诺威工业博览会及该基金会的最新宣传册均已展示了阶段性显著成果。


OPC 统一架构现场级通讯倡议主要参与者
来源: https://opcfoundation.org/wp-content/uploads/2020/10/OPCF-FLC.pdf

ODVA 制定的工业以太网协议 EtherNet/IP 也正在利用 TSN 技术完善其标准。例如:2020 年 4 月发布的“加强 EtherNet/IP 进一步应对工业 4.0 和 IIoT”文章中提及增加链路层发现协议 (LLDP),为 TSN 功能纳入 EtherNet/IP 规范奠定基础。

为支持 TSN 标准,以上主要工业以太网协议正不断更新。虽然它们完备程度不尽相同,但都不再停留于理论阶段。而且,一些设备制造商已推出支持 TSN 技术且兼容上述工业以太网协议的产品。

条件 2:TSN 解决方案成熟

在工业以太网协议不断发展的同时,下一步要攻克的难关是完善 TSN 解决方案。对于智慧工厂涉及的自动化设备、系统乃至整个生产线,硬件和软件在一定程度上都必须支持 TSN 标准,才能执行完整的解决方案,将 TSN 技术付诸实践。

例如:软硬件开发工具和堆栈、开发板在生产 TSN 应用和产品的整个生命周期为设备制造商提供帮助。控制器、交换机、人机界面 (HMI)、逆变器、IO 等自动化硬件设备也需要支持 TSN 相关功能,协助系统集成商构建下一代自动化系统和网络。

另一方面,智慧工厂所管理的设备和采集的数据数量显著增长。为了帮助系统集成商降低部署和维护总成本,用来集中管理 TSN 设备的软件管理工具也是整个解决方案中不可或缺的一部分。这有助于现场工程师简化复杂的应用要求,大幅减少配置 TSN 设备的用时。

从 TSN 生态系统整体来看,自从智能生产解决方案展 (SPS) 于 2016 年在德国首展以来,芯片、开发板、设备、软件工具等制造商已相继推出 TSN 相关产品。近几年自动化龙头企业推出的产品均清晰表明,基于 TSN 的解决方案正迅速成熟。

条件 3:多供应商互操作性

尽管 TSN 标准是诸多行业公认的以太网标准的集合,但不同制造商设备之间的兼容问题仍不可避免。针对此问题,全球已建立四大 TSN 互操作测试平台,即工业互联网联盟 (IIC)、工业 4.0 实验室网络 (LNI 4.0)、工业互联网产业联盟 (AII) 和边缘计算产业联盟 (ECC)。设备制造商通过这些平台携手合作,确保不同设备间 TSN 技术的互操作和融合。

工业互联网联盟 (IIC) 联合展示亮相 2019 年德国汉诺威工业博览会。这不仅反映出众多制造商正努力兑现提供 TSN 解决方案的承诺,也以直观方式消除了系统集成商和用户的疑虑。

IIC 联合展示亮相 2019 年汉诺威工业博览会

TSN 准备就绪

通过诸多 TSN 供应商共同努力,建立 TSN 生态系统的关键要素正逐步落实,且已取得巨大进展。

近几年,许多 TSN 实际应用展示已在全球的自动化展览亮相。这些展览证明了标准组织和制造商支持 TSN 技术发展的决心。Moxa 自 TSN 标准制定初期就是积极参与者,与其他行业领导企业联合推动 TSN 生态系统发展。

2019 年 11 月,Moxa 携手三菱电机、贝加莱、Acontis 在德国纽伦堡智能生产解决方案展 (SPS) 上展出“TSN:统一网络基础设施”。使用 TSN 统一网络架构,两个主要工业以太网协议——CC-Link IE TSN 和 OPC UA 在 TSN 网络成功运行。该展示融合运动控制、图像流、数据采集及其他应用,展现了 TSN 和多个产品的实际运用。(如需更多信息,请参阅《TSN——未来已来》)

2019 年 SPS TSN 演示工具展示

2020 年 8 月,Moxa 应 CLPA 邀请在中国台北国际自动化工业大展中展示 TSN 统一网络架构,首次演示通过 CC-Link IE TSN 认证的交换机如何运作。

2020 年中国台北国际自动化工业大展演示工具展示

过去,整个行业都认为 TSN 标准和技术还处于发展初期。不支持工业以太网协议、解决方案不成熟、无法实现互操作性是阻碍 TSN 技术部署的三大关键因素。从近期取得的发展来看,这些阻碍正逐渐成为过去式。

TSN 不再只是理论。与 TSN 兼容的工业以太网协议和设备制造商设计的 TSN 完整解决方案共同推动建立真正的 TSN 生态系统,为未来工业互联网时代奠定基础。

如需更多关于 TSN 的信息,请下载我们的白皮书或访问 TSN 网站

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