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所图甚大的TSN[1]
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SeanSong 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2019-02-12 11:17:52 楼主

所图甚大的TSN

大家都在讨论IIoT或是工业互联网,但是,似乎却不了解OPC UA TSN,而事实上,IT与OT的融合在基础的通信连接上所遇到的问题超乎大家的想象,之前也谈到了这个话题,IT是一个通用平台及工具,它依赖于大规模的应用降低单位用户成本进而获得规模效应,能够扩张,而阻碍这个经济性的正是来自OT现场的总线和各种协议,这也是难点,因此产业各界均把眼光聚焦到了OPC UA TSN上,但是,似乎很多人却对OPC UA TSN知之甚少,对OT界而言必须注意到以下几点:


(1).OPC UA TSN图谋的是制造业的天下,如果只是把问题聚焦在通信互联及其实时性这些技术问题上的话,那么我们对TSN和OPC UA的理解可能简单了;


(2).它带来的好处一定会驱使很多企业快速推广这个技术,它的推进速度可能超过大家的想象,有些人认为这个技术目前不成熟,而且配置实现复杂,不会很快的推进,但是,如果考虑到它潜在的商业利益,你也知道,只有利益才能驱动技术—它可能比我们想象的要快;


(3).如果你要推进先进制造,可能很难迈过这个门槛—如果不提前谋局,可能就会失去很多市场先机。

 

一些人是不了解就大谈智能制造/IIoT等,而另一些人尤其在自动化的人对TSN抱有一定的怀疑态度,例如实时性和网络配置的复杂性,但是,OPC UA TSN不只是为了自动化应用而设计的,它的图谋不是自动化,而是整个制造业,事实上,我们今天谈论的各种概念智能制造/工业互联网/工业物联网/数字孪生等等都要依赖于它的基础实现。

 

TSN有哪些应用场景正在被考虑?


实际上,工业的人考虑TSN,主要聚焦在了它的实时应用了,但是,TSN本身能够覆盖的场景却远非工业所能描绘,而这些领域会导致TSN的成本会较低,通过目前正在推进的互操作测试,可能在未来很多相关的场景可以实现互联—这个时候再回头看工业4.0所描绘的场景时候,包括CPS、IIoT、Smart Factory,以及消费端的连接、移动互联(5G)等,你才会发现这个发展方向远非想象的那么简单,它的图谋之大,超乎想象。

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1.ADAS辅助驾驶汽车

汽车,尤其是辅助驾驶-无论是哪个等级的,都需要高带宽和低延迟-因为需要更高的响应能力来应对外界环境的变化,IEEE802.1AS,IEEE802.1Qat、IEEE802.1(已纳入IEEE.Q),Qav,IEEE802.1BA和其它行规构成了针对汽车领域的以太网架构,这个架构主要是为了应对未来辅助驾驶所需的高带宽、低延迟需求,因此,汽车制造业巨大的市场会让TSN的芯片成本会更低。

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图2-辅助驾驶汽车需要更为高带宽低延迟的总线


2.远程医疗:正在发展的远程手术,由于考虑到其信息的传输高速需求,因此必须有高带宽的网络予以支撑,通过远程的视觉和机器人辅助手术系统,人们可以在远程来实施一次手术,那么这同样需要高可靠、高带宽的网络支持。

3.VR/AR技术:当人们将VR/AR引入制造业,图形与图像,以及与之同步的声音,往往需要高带宽,人们希望VR和AR可以满足在设备装配、维护、运行监测等方面的便利,这些技术都会对带宽提出较高的要求,同时又要和产线进行交互,因此,需要一定的实时性(并不强调硬实时)。

4.数字孪生:Digital Twin来实现虚拟的数字化设计运行平台与物理的产线之间动态的交互,以相互协同,这需要大量的数据交互,无论对于流程工业的模型还是离散制造的模型而言,这种交互都需要高带宽与低延迟的网络支撑。

5.IIoT的应用场景:需要传输更为广泛的数据,由于物联网需要传输大量的数据,不像传统的数据采集系统,需要传输仅仅是物理的信号,还包括相关的智能传感器的状态、历史记录、配置、诊断等数据,这使得数据量较之传统的数据采集更大的带宽需求,对于一些应用也需要低延迟的数据传输。

6.工业控制系统:这一点毋庸置疑,因为在工业控制领域一直是属于时间敏感型应用场景。

因此,TSN提供了一系列的时钟同步方案、通过设计不同的数据流控制、网络配置等规范来满足各种场景的需求,因此,TSN包含着众多的标准,由IEEE主导,并希望能够使得其成为更为广泛适用的网络协议。

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图3-工业控制一直是基于等时同步的时间敏感型应用场景

 

TSN的标准族

IEEE802.1Q各个工作组一直在致力于各种标准的制定,这些标准涵盖了针对未来各种场景的应用,如图4所示,分为四个大类:

(1).时钟同步,这是一切通信的基础,IEEE802.1AS是基于IEEE588-2008时钟同步标准之上的,在TSN标准中包括了IEEE802.1AS和为了工业更为可靠的时钟同步修订版IEEE802.1AS-Rev。

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图4-目前的IEEE802.1Q标准组件

(2).数据流控制相关的标准

主要是针对各种整形器的标准(Shaper),在数据流处理(如图5所示),经过接收端、入口、滤波、流量计量,到达交换机队列中,而传输选择则是基于不同的整形器(Shaper)来进行不同应用场景的流控制,主要包括以下几种情况:

CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB标准包;

TAS—时间感知执行器,对于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器,目前这个主要针对工业应用场景;

抢占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,这个是为了让Qbv的带宽使用更为高效而设计的机制;

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列与转发,以及Qcr异步数据流整形(ATS)等,这些不同的整形器基于不同的应用场景。

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图5-IEEE802.1Q的标准数据帧处理流程


(3).为了可靠性而设计的标准

IEEE802.1AS-Rev主要是为了避免主时钟失效时切换到另一个主时钟;

IEEE802.1Qci帧检测过滤与报错-针对数据帧未能及时到达或者到达了错误的数据帧等进行的处理机制;

IEEE802.1QCB-针对数据帧的复制与解除-数据沿着环路走时会复制,但在某个节点相遇则会解除一个数据帧的处理机制。

(4).网络配置协议

包括IEEE802.1Qat-针对汽车行业的AVB协议包里的一个流预留协议(Stream Reservation Protocol),IEEE802.1Qcc,针对SRP的增强版,用于配置TSN网络中的Qbu+802.3br、Qbv等,包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG规范,这些都是为了更好的配置网络和用户。

 表1-各种应用对于网络的需求

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表1的横向是IEEE802.1Q定义的8种业务类型,而纵向衡量网络服务质量(QoS)的关键考量指标,我们可以看到,IEEE802.1Q组织所拟开发的网络是针对众多的应用场景的。


目前IEEE802.1与IEC组成的60802工作组正在制定TSN IA行规,并且各个组织(LNI,IIC,ECC)正在进行TSN的Testbed均致力于实现在1/2级两个层面的互操作,在TSN和OPC UA两个层面的互操作实现。

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图6-60802工作组旨在实现TSN IA的各种标准及互操作行规

 

OPC UA+TSN所构成的无所不在的连接

TSN与OPC UA的融合会解决目前工业物联网中的问题:

TSN解决信号、信息如何被用统一的网络传输,由于TSN是一种软件定义网络(Software Defined Network),通过TSN交换机的可以为整个应用配置实时域或依赖于BE的端口、拓扑,这使得网络可以根据各种应用场景的需要进行配置,而这些不同的TSN网络间可以实现第一级互操作。

 

OPC UA解决数据以何种形式被应用:针对垂直行业的信息模型简化了针对行业性的应用开发,而将MQTT/AMQP这些Pub/Sub机制融入OPC UA则解决了云连接的问题,对于管理壳而言,OPC UA提供了针对资产管理、能源、预测性维护的数据交互机制。

 

实际上,我们可以看到OPC UA+TSN涵盖了为未来智能制造、工业物联网所提供各种应用场景的通信互联问题,可以看到其“所图甚大”的布局,因此,了解并积极推进OPC UA TSN对于中国智能制造的发展至关重要,有两个路径,一是自己独立设计一条路线,另一个是研究清楚这条路线并占据主导,显然,后者显然切实可行。

 

本文为学习笔记,其中有些翻译不准确请多指正,毕竟咱也不是IEEE工作组成员,考虑到学习笔记较长避免大家看晕了,拟推出系列文章,后续可能包括以下话题:

1.    TSN在哪里?

2.    TSN帧与优先级定义

3.    TSN时钟同步与延迟测量

4.    不同的整形器差异CBS/TAS/ATS…

5.    TSN标准化进展

6.    当前产业的TSN开发状态

敬请期待—至于具体推出时间,尚未可知,因为看那么枯燥无味的技术文档,非常需要时间和精力,快时会很快,慢时也会很慢—采用Best Effort机制。


来源:微信号 说东道西

作者:宋华振

该作品已获作者授权,未经许可,禁止任何个人及第三方转载。


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