基于TSN技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)解決方案
華為技術(shù)有限公司
網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
眾所周知，以太網(wǎng)已經(jīng)成為家庭、企業(yè)及數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)連接和互通的最廣泛的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。然而因?yàn)槠浯_定性、實(shí)時(shí)性、可靠性等因素，傳統(tǒng)以太網(wǎng)并不適用于工業(yè)數(shù)據(jù)通訊。例如以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)沖突時(shí)需不斷重發(fā)數(shù)據(jù)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性帶來(lái)挑戰(zhàn)；另外，因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)面臨惡劣的工況、嚴(yán)重的線間干擾等，也導(dǎo)致以太網(wǎng)可靠性大打折扣。
而工業(yè)以太網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等在實(shí)時(shí)性、傳輸速率等方面都有明顯的改觀，并已經(jīng)占據(jù)了以太網(wǎng)市場(chǎng)的半壁江山。
不過(guò)，這些專有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議仍然面臨瓶頸，雖然它們?cè)跐M足機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余。因?yàn)楫?dāng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)數(shù)據(jù)通訊并不再僅限于機(jī)器到傳感層，也不僅限于機(jī)器到機(jī)器之間，而是擴(kuò)展到了與人、云和應(yīng)用等更豐富的連接，有更多類型和更多海量的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理，而對(duì)于數(shù)據(jù)處理的鏈條也變得更長(zhǎng)，包括在邊緣側(cè)，包括云端，包括與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的逐步打通。因此，如何應(yīng)對(duì)通過(guò)更高帶寬進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的聯(lián)接和傳輸，如何做到更精準(zhǔn)的確定性控制和更低時(shí)延，仍是工業(yè)制造面臨的巨大挑戰(zhàn)。
1.2 實(shí)施目標(biāo)
TSN+OPC UA組合提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、高確定性并真正獨(dú)立于設(shè)備廠商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來(lái)巨大改善。
TSN技術(shù)和OPC-UA相結(jié)合，可以滿足工業(yè)應(yīng)用的各種傳輸需求。通過(guò)該解決方案可以支持工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)接入，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。進(jìn)一步的，使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有高度靈活性，工廠車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以快速調(diào)整優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與管理水平。
TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）+ OPC UA（OPC統(tǒng)一架構(gòu)）成為從傳感器到云端建立全面通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最佳拍檔。
TSN的工作原理是在傳輸中讓關(guān)鍵數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。這意味著關(guān)鍵數(shù)據(jù)不必等待所有的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成傳送后才開(kāi)始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，TSN建立了一套能使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性和確定性的新標(biāo)準(zhǔn)。
基于TSN提供的網(wǎng)絡(luò)通信的高確定性和低時(shí)延之上，OPC UA則提供了一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的面向服務(wù)的體系架構(gòu)，它定義了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和信息模型，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備和企業(yè)，以及不同廠商設(shè)備之間的交互。
TSN+OPC UA組合提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、高確定性并真正獨(dú)立于設(shè)備廠商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來(lái)巨大改善。
舉例來(lái)說(shuō)，在工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，都會(huì)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，TSN+OPC UA在整體上使得在工廠的各個(gè)環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了透明交互，并且配置效率更高，程序與應(yīng)用模塊化更強(qiáng)。
1.3 適用范圍
因?yàn)橹悄苤圃礻P(guān)于柔性出產(chǎn)提出了更高要求，以及跨渠道、跨職業(yè)的應(yīng)用需求越來(lái)越多，大型實(shí)時(shí)工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)了嚴(yán)峻的應(yīng)戰(zhàn)。
基于TSN的通信技術(shù)，可以適用于工廠的設(shè)備層、控制層以及企業(yè)層的層間以及層內(nèi)設(shè)備的高精度通信，可應(yīng)用于工業(yè)的多個(gè)場(chǎng)景。
2 需求分析
未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂袛?shù)以百億計(jì)的設(shè)備銜接上網(wǎng)，傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)法接受巨大的數(shù)據(jù)傳輸量，需求一種新的架構(gòu)來(lái)滿意高帶寬、高速率和海量銜接等方面訴求。柔性制造正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，它具有設(shè)備可復(fù)用性高、運(yùn)行靈活及產(chǎn)品應(yīng)變能力強(qiáng)的特點(diǎn)。一旦生產(chǎn)需求發(fā)生變化，需要快速調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，重置工藝流程與設(shè)備配置，以適配新的需求。
但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通性，已經(jīng)成為制約制造業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò) TSN + OPC UA 打通工業(yè)信息通信路徑，加速制造行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的信息交互效率，實(shí)現(xiàn)有效信息提取和傳遞。
自從可編程邏輯操控器（PLCs）面世以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化流程得到了極大優(yōu)化。OT（運(yùn)營(yíng)技能）與IT（信息與通訊技能）之間的交融令人興奮，將帶來(lái)特別的體會(huì)。OPC UA和TSN的結(jié)合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以完成實(shí)時(shí)信息交流和互操作。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于TSN技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案主要包含以下創(chuàng)新點(diǎn)：
1）基于OPC-UA的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和傳輸控制機(jī)制
? 包括基于OPC-UA和TSN的集成，完成對(duì)傳輸?shù)目刂坪蛡鬏斮Y源的配置。
2）基于TSN技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
? 在工業(yè)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中保障工業(yè)應(yīng)用的高確定性、周期性傳輸業(yè)務(wù)的需求；
? 用于開(kāi)展工業(yè)通信技術(shù)的高并發(fā)、可靠性、實(shí)時(shí)性等性能的測(cè)試和驗(yàn)證。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
基于TSN技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案適用于圖中場(chǎng)景的數(shù)據(jù)通信，尤其是智能機(jī)器之間以及智能機(jī)器和工廠控制系統(tǒng)之間的通信?；赥SN通信技術(shù)提供的高可靠、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸保障，可以減少數(shù)據(jù)傳輸線路的部署、適用于多種環(huán)境以及設(shè)備的場(chǎng)景。
圖1 基于TSN技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案總體架構(gòu)
其中，基于TSN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)設(shè)備包含PLC以及各種輸入輸出設(shè)備。工業(yè)數(shù)據(jù)通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，需要集成TSN模塊，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)高層和TSN傳輸在工業(yè)設(shè)備側(cè)的互通。
3.3 網(wǎng)絡(luò)體系功能設(shè)計(jì)
OPC UA和TSN的融合是未來(lái)的主要方向，能夠提升工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息交互效率。OPCUA提供標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)義定義，統(tǒng)一互操作，統(tǒng)一信息模型定義，M2M/M2B協(xié)同，以及面向服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)SoA降低軟件設(shè)計(jì)難度。TSN通過(guò)良好的互通性，改變傳統(tǒng)七國(guó)八制局面，提供高可靠性，多路徑/冗余路徑技術(shù)，提供低時(shí)延：μs級(jí)別時(shí)延，ns級(jí)抖動(dòng)，甚至更低，管理簡(jiǎn)單，即插即用。
圖2 工業(yè)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系功能設(shè)計(jì)
3.4 本方案TSN特性
網(wǎng)關(guān)設(shè)備以及工業(yè)TSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備共同構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，主要支持的功能如下：
1）低時(shí)延：時(shí)延微秒級(jí)別，抖動(dòng)ns級(jí)別。
2）高帶寬：支持1G帶寬，并支持向10G / 100Gbps TSN演進(jìn)；
3）統(tǒng)一SDN管理，支持Netconfi/YANG和OPC UA模型的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理；
4）高精度時(shí)鐘，支持802.1as和1588V2，支持TSN Scheduling（<8ns）
5）實(shí)現(xiàn)TSN+OPC UA+邊緣計(jì)算平臺(tái)功能，支持工業(yè)4.0的高精度實(shí)時(shí)軟件容器環(huán)境。
3.5 TSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
OPC-UA是目前應(yīng)用較廣泛的工廠內(nèi)應(yīng)用使能技術(shù)，定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語(yǔ)法表達(dá)方法（信息模型），每個(gè)系統(tǒng)都可以將各自的數(shù)據(jù)信息以O(shè)PC的格式進(jìn)行組織，從而被其他系統(tǒng)所獲取和集成。
在基于TSN技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案中，通過(guò)OPC-UA進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置、完成信息的映射，TSN技術(shù)保障不同工業(yè)業(yè)務(wù)的傳輸性能，滿足不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。
圖3 OPC-UA和TSN的集成方案
4 成功案例
華為與伙伴共同打造OPC UA+TSN網(wǎng)絡(luò)五大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景，進(jìn)行相關(guān)工業(yè)方案的場(chǎng)景驗(yàn)證。
? 與AII打造的“電機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)網(wǎng)絡(luò)（TSN for Predictive Maintenance）”
? 與美國(guó)國(guó)家儀器打造的“馬達(dá)同步（Motor Synchronization）”;
? 與和利時(shí)打造的“賽車游戲（Race-Car Game）”；
? 與Linmot打造的“繪圖運(yùn)動(dòng)控制（Plotter Motion Control）”;
? 與施耐德電氣打造的“LED同步（LED Synchronization）”；
? 與貝加萊打造的“OPC UA Over TSN”；
通過(guò)上述工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景驗(yàn)證了TSN網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境情況下的高確定性和低時(shí)延性，TSN+OPC UA為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在信息提取和信息交互帶來(lái)更多的數(shù)字化創(chuàng)新體驗(yàn)，是預(yù)測(cè)性維護(hù)、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等新技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。可以幫助工業(yè)企業(yè)提升效率，減少停機(jī)時(shí)間，提高互操作性和降低總體成本等。
通過(guò)收集機(jī)床的各種數(shù)據(jù)，基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在邊緣側(cè)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析并通過(guò)邊云協(xié)同，在云端進(jìn)行深度分析，同時(shí)支持高達(dá)50跳的不同廠家設(shè)備進(jìn)行精確協(xié)同，支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)并通過(guò)多路徑和冗余路徑確?？煽啃裕谝惶系难舆t能達(dá)到小于10微秒，抖動(dòng)小于0.1微秒，并在邊緣側(cè)通過(guò)容器技術(shù)提供可視化PLC（可編程邏輯控制器），且支持不同廠家的虛擬化PLC運(yùn)行。
圖4 TSN網(wǎng)絡(luò)工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景拓?fù)?/p>