自动化中的TSN:我们现在处在什么阶段?

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小编:关键词: ADI 自动化 TSN 择要:迩来,任何从事工业通信的人都邑面对光阴敏感型收集(TSN)的话题。TSN必将到来;这只是个光阴和要领问题。然而,纵然到本日,人们对它在工业通信领域

关键词:

ADI

自动化

TSN

择要:迩来,任何从事工业通信的人都邑面对光阴敏感型收集(TSN)的话题。TSN必将到来;这只是个光阴和要领问题。然而,纵然到本日,人们对它在工业通信领域的上风并不是很清楚。

迩来,任何从事工业通信的人都邑面对光阴敏感型收集(TSN)的话题。TSN必将到来;这只是个光阴和要领问题。然而,纵然到本日,人们对它在工业通信领域的上风并不是很清楚。

历史回首

以太网在20世纪80年代初被引入办公领域,并因其惊人的10Mbps的高吞吐量(相对付当时而言)迅速遍及。然而,这种以太网对付实时利用来说并不实用,由于它应用被称为“合用线”的通用介质。在高使用率的环境下轻易发生冲突,导致办公设置问题。

后来跟着以太网的成长,经由过程引入互换收集办理了冲突问题。此外,经由过程办事质量(QoS)引入了以太网数据报文优先级。

对付工业利用,包管低延迟尤为紧张。只管有QoS,但在办公情况中应用的标准以太网只能包管延迟低至某一点,尤其是在高收集使用率的环境下。

这源于诸多缘故原由,而主要缘故原由是商用多端口互换机常用的存储转发策略和弗成能预留带宽的事实。

存储转发意味着互换机在转发之前要收到完备的数据报文。这在互换机处置惩罚方面具有上风,但也带来了潜在问题,会对延迟和靠得住性孕育发生负面影响:

u当数据报文颠末互换机时,会按照其长度天生必然的延迟。假如多个互换机级联,延迟影响会被放大年夜。

u因为互换机的存储容量不是无限的,假如收集应用过度(流量过多),它可能回绝数据报文;这意味着可能会损掉数据报文(以致那些优先级较高的数据报文)。

u长数据报文会长光阴堵塞端口。

互换机级联从一开始就给工业情况利用带来了寻衅。除了用于IT领域中的星型拓扑布局以外,自动化领域也常应用线型、环型和树型拓扑布局。这些颠末调剂的拓扑布局大年夜幅低落了以太网安装的布线请乞降资源。是以,在工业利用中,采纳纵贯式策略的双端口互换机被整合到现场设备中。纵贯式意味着数据报文在被完全接管前被转发。

图1.以太网帧: 与TSN数据流标知趣关的数据字段用绿色表示。

图2.拓扑布局。

必须包管老是能为高优先级数据报文供给足够的带宽(懈弛冲区空间)。标准以太网今朝还无法做到这一点。

一体适用的技巧:工业以太网横空出世

因为传统的以太网没有足够的带宽预留功能,自动化领域的专家从2000年就开始动手开拓自己的以太网版本。然而,他们拔取的开拓路径各不相同。以下措施各有特色:

u应用以太网作为现场总线传输介质的协议。这些协议要求自己完全节制以太网介质。传统的TCP/IP通信只能经由过程现场总线(EtherCAT®和POWERLINK®)或现场总线(Sercos)分配的通道进行搭载。现场总线紧紧掌握着带宽节制。

u经由过程以太网上的光阴分片法度榜样来包管带宽预留的协议。这里要提一下PROFINET® IRT。IRT支持在运行软实时或背景流量的相同电缆长进行确定性硬实时数据传输。光阴片的筹划必要一个正确的传输路径时序模型。

u基于共享以太网电缆的协议。这些协议应用QoS并异常适用于工厂自动化和历程自动化利用。PROFINET RT和EtherNet/IP是值得关注的例子。这些协议仅限用于软实时(周期光阴≥1 ms)范围。

图3.时序模型:PHY、电缆和互换时机影响到数据传输延迟。应用时隙措施(PROFINET IRT和TSN光阴感知整形器(TAS))时必须斟酌这一点。

这些标准必要特殊的硬件来支持,是以必要应用特殊的ASIC。因为PROFINET RT和EtherNet/IP®也是基于嵌入式双端口纵贯式互换机的,是以它们在这一点上也不例外。诸如ADI的fido5000之类的机动、基于硬件的多协议办理规划以精简的要领办理了这个问题。

步入TSN

借助TSN,业界已经成功开拓出相符IEEE 802.1的标准以太网扩展版本,成功地开脱了以前的限定。是以,ISO七层模型中的标准化第2层现在已经可以向上兼容之前的以太网和硬实时功能。经由过程802.1AS-rev,TSN还定义了可互操作的统一措施,用于同步收集中的散播式时钟。因为经由过程TSN总能实现“尽力而为”的通信,以是在硬实时利用以及所有其它利用(收集办事器、SSH等)中,共用电缆成为可能。在这方面,TSN与PROFINET IRT并没有什么不合,它也供给了相仿的机能。

采纳TSN的新增需求是必要更广泛的收集设置设置设备摆设摆设。集中式或散播式设置设置设备摆设摆设均有可能。今朝正在评论争论和实施兼顾两种类型的设置设置设备摆设摆设。未来的成长目标是实现两种设置设置设备摆设摆设机制之间的互操作性。

这统统都再好不过了,TSN的实际上风到底是什么?

最常见的谜底是,它供给了市道市面上更低资源的收集接口,并且适用于更广泛的市场。终究,TSN也能用于未来的楼宇自动化和汽车行业中。事实上,估计嵌入式TSN办理规划的市场规模将大年夜大年夜跨越所有工业以太网办理规划当前市场的总和。

TSN相较曩昔的工业以太网要领最大年夜的技巧上风是其可扩展性。与当前的工业收集不合,TSN并不针对特定的传输速度进行定义。TSN可用于100 Mbps,也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

它还更好地优化拓扑布局,由于现在可以针对各个不合的区段选择与之相适应的数据速度。无论是1 Gbps、100 Mbps照样10 Mbps,都应用统一的第2层——IEEE802.1/TSN。

统一的收集根基举措措施还有助于相关职员完成建立和掩护收集的义务,由于经由过程TSN,办理规划现在可以用于自动化以外的其它领域,如修建、历程和工厂自动化以及能源分配等。

这为我们带来了下一个上风,即培训身分。TSN已经成为许多大年夜学的课题,多半尚处在钻研阶段。然而,技巧和职业学院已经对这个课题体现出极大年夜的兴趣。我们可以相称认真任地说,TSN将成为工程师、技巧职员和技巧工人的必备基础常识。将不再必要针对不合的现场总线进行再培训。

“棕地”(Brownfield),即现有的协议该怎么办?

在险些所有与TSN相关的事情组中,都邑反复呈现一个主题:若何同时保障向TSN的过渡和向现有安装系统(如“棕地”利用)的供給?

在各方面,强调的重点都是旨在让客户能够轻松顺利地过渡到TSN。本日,我们可以有把握地说,现有的工业以太网协议不会在一夜之间消掉。与之相反,任何人当前正在应用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似普遍的工业以太网协议,他们都可以很有把握地假定,在10年内他们照样能够应用这些协议运行收集,并得到支持和调换部件。

所有工业以太网组织都供给了模型,用来描述现有工厂若何与基于TSN的新设备协同事情。现有工业收集的接口由网关(Sercos)、带耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊硬件(PROFINET RT)的接口组成。分外是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完备协议作为第2层用于TSN。

这使得慢慢过渡到TSN成为可能。

图4.棕地:TSN收集与PROFINET和EtherCAT相结合。

总之,TSN将在新装配中随处可见,并徐徐以岛或区段的形式导入至现有装配中。

然而,伴跟着TSN,工业以太网领域将涌现出新的协议。带有新传输协议PUB/SUB的OPC UA与TSN一路,已被视为传统协议的竞争对手。对付现场设备的制造商来说,这意味着它们不得不应时支持传统的工业以太网办理规划以及TSN和新协议。

TSN和ADI公司

ADI公司一年多前收购了工业以太网的领先企业Innovasic,现已成功完成了整合。跟着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口互换机已被纳入ADI公司产品线。该互换机支持所有相关的工业以太网协议,并支持TSN。

使用fido5000,现在就可以将产品筹划过渡至TSN并同时满意当前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。借助fido5000,可将TSN筹划为现有系统的一个更新。

fido5000系列仍在赓续增强。我们将供给面向1 Gb利用的新产品,但10 Mb/100 Mb的产品仍将继承供给,以满意客户的要求。

借助fido5000系列供给的机动性,能够靠得住、高效地履行TSN移植。

TSN是一个机遇

TSN使得为所有工业通信创建一个统一的根基成为可能。一旦引入TSN,工业利用中的ISO七层模型的第1、2、3层将统一。这有可能使可扩展性和机能达到全新的水平。

基于此,上层通信是否也会标准化?是否有可能呈现一个统一的OPC UA PUB/SUB?有可能。使用fido5000系列,用户能够为应对所有场景做好筹备。

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