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)議標準。然而因為其確定性、實時性、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機制，當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)沖突時需不斷重發(fā)數(shù)據(jù)，這對于網(wǎng)絡(luò)實時性帶來挑戰(zhàn)；另外，因工業(yè)現(xiàn)場面臨惡劣的工況、嚴重的線間干擾等，也導致以太網(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)場總線等在實時性、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)市場的半壁江山。
不過，這些專有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議仍然面臨瓶頸，雖然它們在滿足機器運動控制等方面已經(jīng)綽綽有余。因為當云計算、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器到傳感層，也不僅限于機器到機器之間，而是擴展到了與人、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，而對于數(shù)據(jù)處理的鏈條也變得更長，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)對通過更高帶寬進行海量數(shù)據(jù)的聯(lián)接和傳輸，如何做到更精準的確定性控制和更低時延，仍是工業(yè)制造面臨的巨大挑戰(zhàn)。
1.2 實施目標
TSN+OPC UA組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設(shè)備廠商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善。
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。通過該解決方案可以支持工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)接入，實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。進一步的，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)完成傳送后才開始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質(zhì)上來說，TSN建立了一套能使以太網(wǎng)具有實時性和確定性的新標準。
基于TSN提供的網(wǎng)絡(luò)通信的高確定性和低時延之上，OPC UA則提供了一個獨立于平臺的面向服務(wù)的體系架構(gòu)，它定義了統(tǒng)一的標準和信息模型，可以實現(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組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設(shè)備廠商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善。
舉例來說，在工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運營中，都會需要對現(xiàn)場的機器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)進行采集，TSN+OPC UA在整體上使得在工廠的各個環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實現(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。
1.3 適用范圍
因為智能制造關(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)用需求越來越多，大型實時工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)為運營者帶來了嚴峻的應(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)的多個場景。
2 需求分析
未來工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂袛?shù)以百億計的設(shè)備銜接上網(wǎng)，傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)無法接受巨大的數(shù)據(jù)傳輸量，需求一種新的架構(gòu)來滿意高帶寬、高速率和海量銜接等方面訴求。柔性制造正得到越來越廣泛的應(yīng)用，它具有設(shè)備可復(fù)用性高、運行靈活及產(chǎn)品應(yīng)變能力強的特點。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 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)場網(wǎng)絡(luò)的信息交互效率，實現(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，工業(yè)自動化流程得到了極大優(yōu)化。OT（運營技能）與IT（信息與通訊技能）之間的交融令人興奮，將帶來特別的體會。OPC UA和TSN的結(jié)合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以完成實時信息交流和互操作。
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：
1）基于OPC-UA的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和傳輸控制機制
? 包括基于OPC-UA和TSN的集成，完成對傳輸?shù)目刂坪蛡鬏斮Y源的配置。
2）基于TSN技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸機制
? 在工業(yè)監(jiān)測場景中保障工業(yè)應(yīng)用的高確定性、周期性傳輸業(yè)務(wù)的需求；
? 用于開展工業(yè)通信技術(shù)的高并發(fā)、可靠性、實時性等性能的測試和驗證。
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景的數(shù)據(jù)通信，尤其是智能機器之間以及智能機器和工廠控制系統(tǒng)之間的通信。基于TSN通信技術(shù)提供的高可靠、低時延的數(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TSN網(wǎng)絡(luò)傳輸時，需要集成TSN模塊，并實現(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
OPC UA和TSN的融合是未來的主要方向，能夠提升工業(yè)現(xiàn)場的信息交互效率。OPCUA提供標準語義定義，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SoA降低軟件設(shè)計難度。TSN通過良好的互通性，改變傳統(tǒng)七國八制局面，提供高可靠性，多路徑/冗余路徑技術(shù)，提供低時延：μs級別時延，ns級抖動，甚至更低，管理簡單，即插即用。
圖2 工業(yè)未來網(wǎng)絡(luò)體系功能設(shè)計
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）低時延：時延微秒級別，抖動ns級別。
2）高帶寬：支持1G帶寬，并支持向10G / 100Gbps TSN演進；
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）高精度時鐘，支持802.1as和1588V2，支持TSN Scheduling（<8ns）
5）實現(xiàn)TSN+OPC UA+邊緣計算平臺功能，支持工業(yè)4.0的高精度實時軟件容器環(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)描述和語法表達方法（信息模型），每個系統(tǒng)都可以將各自的數(shù)據(jù)信息以O(shè)PC的格式進行組織，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OPC-UA進行網(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)場景，進行相關(guān)工業(yè)方案的場景驗證。
? 與AII打造的“電機預(yù)測性維護網(wǎng)絡(luò)（TSN for Predictive Maintenance）”
? 與美國國家儀器打造的“馬達同步（Motor Synchronization）”;
? 與和利時打造的“賽車游戲（Race-Car Game）”；
? 與Linmot打造的“繪圖運動控制（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”；
通過上述工業(yè)互聯(lián)場景驗證了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更多的數(shù)字化創(chuàng)新體驗，是預(yù)測性維護、數(shù)據(jù)分析、機器學習和人工智能等新技術(shù)的關(guān)鍵推動因素。可以幫助工業(yè)企業(yè)提升效率，減少停機時間，提高互操作性和降低總體成本等。
通過收集機床的各種數(shù)據(jù)，基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)在邊緣側(cè)進行預(yù)測分析并通過邊云協(xié)同，在云端進行深度分析，同時支持高達50跳的不同廠家設(shè)備進行精確協(xié)同，支持標準以太網(wǎng)并通過多路徑和冗余路徑確保可靠性，在一跳上的延遲能達到小于10微秒，抖動小于0.1微秒，并在邊緣側(cè)通過容器技術(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運行。
圖4 TSN網(wǎng)絡(luò)工業(yè)互聯(lián)場景拓撲