(電子商務研究中心訊) 當前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展缺乏統(tǒng)一標準化的互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，僅僅是將數(shù)據(jù)從物的前端通過采集后傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)庫，然后一層層向上傳遞到各個應用層。那么，所有的業(yè)務模式都只會是一個個孤立的解決方案。本文提出了基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)標準，結合工業(yè)以太網(wǎng)的典型應用案例，為物聯(lián)網(wǎng)今后的發(fā)展提供一種新的建設思路。
1、實時工業(yè)以太網(wǎng)概述
目前，在工廠自動化設備的工業(yè)控制總線技術中存在著多種實時工業(yè)以太網(wǎng)，比如Ethernet/IP、PROFINET、SERCOSIII、CC-Link、POWERLINK、EtherCAT等，這些協(xié)議都是為了解決IEEE802.3中數(shù)據(jù)碰撞的機制，導致的不確定性的數(shù)據(jù)傳輸延遲。在標準以太網(wǎng)的基礎上修改或增加了一些特定的協(xié)議，以及采用了軟實時或硬實時的方法，以保證循環(huán)周期在1ms~100ms內(nèi)不同級別的實時性和確定性。實時工業(yè)以太網(wǎng)主要應用在需要快速響應、確定時間周期的高速運轉(zhuǎn)的機械設備，如印刷機、折彎機、鋼鐵切割和各種機械手等。
2、實時工業(yè)以太網(wǎng)在運動控制產(chǎn)品中的應用
國內(nèi)外做運動控制產(chǎn)品的公司，如英國的翠歐(Trio)，國內(nèi)的和利時，目前的運動控制產(chǎn)品，在采用總線方式的軸同步時，都是采用一個控制器帶多軸的控制方式。如和利時的MC100XX系列運動控制產(chǎn)品，采用的是EtherCAT或RTEX等ms級的實時總線技術。和利時MC系列運動控制器，在多線切割機中的應用案例。
多線切割是一種通過金屬絲的高速往復運動，將藍寶石等高硬脆性材料一次同時切割為數(shù)百片薄片的一種新型切割加工方法，工作原理如圖1所示。多線切割已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割，成為硬脆材料切割加工的主要方式。多線切割機對運動控制技術指標要求：系統(tǒng)至少8軸同步運行，切割線速度至少800m/min，切割線張力穩(wěn)定(張力波動在3N以內(nèi))。
要達到以上運動控制技術指標要求，需要保證伺服控制周期≤1ms，張力波動控制在3N以內(nèi)，和利時的MC系列控制器中，采用EtherCAT實時總線的us級軸間同步技術，伺服控制周期和總線實時通訊周期都是1ms。系統(tǒng)配置圖如圖2所示。
用以太網(wǎng)作為總線實現(xiàn)軸間同步，比直連軸(以開環(huán)脈沖或閉環(huán)模擬量方式控制步進或伺服電機)驅(qū)動執(zhí)行器，在帶載能力和安裝靈活性方面，優(yōu)勢很明顯。
3、什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡？
上面提到的各個廠家主推的實時工業(yè)以太網(wǎng)，并非是標準以太網(wǎng)，雖然在滿足機器運動控制等方面已經(jīng)綽綽有余。但是這些協(xié)議在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上都存在一些不足，特別是當前大數(shù)據(jù)和云計算等進入工業(yè)控制領域、要求兩化融合的背景下，不僅要保證大數(shù)據(jù)傳輸，而且要保證傳輸?shù)膶崟r性和確定性，這時現(xiàn)有的實時以太網(wǎng)協(xié)議就顯得力不從心。為此，許多工業(yè)供應商、IT廠商和芯片提供商，加入IEEE802標準委員會和AVnu聯(lián)盟，共同更新標準以太網(wǎng)協(xié)議，并為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時間敏感型數(shù)據(jù)制定了低延遲數(shù)據(jù)傳輸標準。這個新標準稱為時間敏感網(wǎng)絡(Time-Sensitive Networking，簡稱TSN)。
TSN有著帶寬、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢，能夠很好滿足未來萬物互聯(lián)的要求。其主要的工作原理是優(yōu)先適用(IEEE P802.3br)機制，在傳輸中讓關鍵數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。這意味著關鍵數(shù)據(jù)不必等待所有的非關鍵數(shù)據(jù)完成傳送后才開始，從而確保更快速的傳輸路徑。
4、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡的技術試驗平臺
通過NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的以太網(wǎng)和TSN兩種不同的網(wǎng)絡進行比較。CompactRIO支持TSN，該系統(tǒng)框圖如圖3所示。NI的Controller1通過TSN將電機控制的轉(zhuǎn)盤位置信息傳輸給思科的TSN交換機，通過此交換機把位置信息同時發(fā)送給2號控制器和另外一臺交換機，另外一臺交換機把位置信息通過TSN傳輸給3號控制器，2號和3號控制器根據(jù)接收到的位置信息控制轉(zhuǎn)盤，做相應的運動。
另外兩個思科的交換機里同時還傳輸著視頻大數(shù)據(jù)。把以太網(wǎng)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，通過思科交換機發(fā)送給網(wǎng)絡監(jiān)視器。
如果不啟用TSN，而用UDP傳輸?shù)姆绞?，當兩臺交換機之間有視頻等大數(shù)據(jù)傳輸時，由于受到網(wǎng)絡上大數(shù)據(jù)的影響，兩個轉(zhuǎn)盤之間的同步位置會越來越差，兩個控制器之間丟失的數(shù)據(jù)也會越來越多。而當啟用TSN傳輸時，兩臺交換機之間一直在傳輸視頻大數(shù)據(jù)，但是兩個轉(zhuǎn)盤的位置保持很好的同步，兩個控制器之間的數(shù)據(jù)也沒有丟失。
這個演示系統(tǒng)表明，TSN能夠保持時間敏感數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，從而實現(xiàn)實時性和確定性。由于TSN采用標準以太網(wǎng)協(xié)議，TSN可無縫集成現(xiàn)有以太網(wǎng)應用和標準的IT網(wǎng)絡來提高易用性。此外，TSN繼承了現(xiàn)有以太網(wǎng)的許多特性，比如HTTP接口和web服務，實現(xiàn)了IIoT系統(tǒng)所需的遠程診斷、可視化和修復功能。
5、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN的應用前景展望
智能制造描繪了一個宏觀的工業(yè)愿景，正是通過大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、仿真、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)機器人、機器視覺、人工智能等基礎技術，一步步實現(xiàn)智能制造的宏偉藍圖。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)就是一個由日益智能且能互連互通的設備和基礎設施構成的世界。時間敏感網(wǎng)絡(TSN)新標準出現(xiàn)，解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡的一些缺點，新的TSN標準將會帶來帶寬、安全性、互操作、延遲和同步等好處，把需要和不需要實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C器、人和物，連接起來。
在汽車領域，目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線，而燈光、車門、遙控等采用LIN系統(tǒng)，娛樂系統(tǒng)用FlexRay和MOST等車載網(wǎng)絡的方式。TSN的標準和功能確定以后，TSN必將成為汽車行業(yè)的核心網(wǎng)絡，為以后車聯(lián)網(wǎng)和智慧交通打下基礎。
在工業(yè)領域，當前制造業(yè)生產(chǎn)管理對于效能和良率要求倍增，使得工業(yè)應用領域的通訊帶寬需求日益攀升，期望透過工廠擷取的高信息量分析大數(shù)據(jù)，推動新一代智能制造應用。若全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議行駛于TSN標準，可以很容易地透過集權式的云端伺服器，實現(xiàn)定制化生產(chǎn)、柔性制造，推動《中國制造2025》戰(zhàn)略，達到協(xié)同制造、新興業(yè)態(tài)等制造業(yè)的核心能力。
6、結語
新的TSN特征將在IIoT應用中通過增加通信要求的確定性和低延遲性，應該可以消除標準以太網(wǎng)未能作主骨干的IIoT網(wǎng)絡的最后障礙，推動關鍵和非關鍵的控制信息和數(shù)據(jù)匯聚到單個網(wǎng)絡中，通過增加必要的網(wǎng)絡安全措施，真正實現(xiàn)一網(wǎng)到底。
注：本研究依托智能制造專項綜合標準化試驗驗證項目“工業(yè)控制網(wǎng)絡標準研究和驗證平臺建設”進行。（來源：《自動化博覽》雜志 文/虞日躍 劉盈 劉丹 編選：中國電子商務研究中心）
作者簡介
虞日躍,男，浙江東陽人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時系統(tǒng)工程有限公司，研究方向為測試計量。
劉盈,男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，初級工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時系統(tǒng)工程有限公司，研究方向為電氣工程。
劉丹，女，遼寧沈陽人，教授級高工，博士，現(xiàn)任職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所，主要從事工業(yè)通訊及智能制造通用技術的研究。
