为什么确定性控制对于现代系统至关重要

05
七月

确定性控制的累积案例

• 作者：布莱恩·麦克莫里斯
• 以太猫
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作者：Dave Perkon，技术编辑
转载自《控制设计》2019年6月27日

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulate-case-for-definistic-control/

关于时间敏感网络 (TSN)，机器制造商、系统集成商和制造商需要了解哪些信息？简而言之，它是更好的以太网。

过去需要通过许多网络和网关来满足性能要求，而现在将通过单根电缆实现确定性控制和信息。

除了更好的性能之外，它还易于使用，但集成商和最终用户很乐意支持当前的解决方案。

“我认为 TSN 不会让涉及先进制造和机器人技术的集成商的事情变得复杂化，”亚利桑那州斯科茨代尔 Futura Automation 总裁 Brian D McMorris 表示。 “我们是一家工厂车间集成商。我们对 IT 世界了解不多，但我们的公司结构和愿景专注于工业 4.0，其中大部分是在工厂车间执行的。例如，我们通过 Tulip Interface 软件系列进入应用程序级别的制造执行系统 (MES) 领域。我们提供现场服务能力，帮助客户实现 MES、计算机化维护管理系统 (CMMS) 和质量管理系统的优势（质量管理体系）。”

Futura 与 IT 部门的合作主要是在安全方面，即基于云的解决方案以及如何保护云应用程序。 McMorris 表示：“我相信 IEEE 采用 EtherCAT 等公司赞助的协议，并将其在行业协会的支持下转变为全球开放标准，这将是件好事，但除了每台设备的使用许可成本之外，我目前并没有真正看到 EtherCAT 的任何缺点。”

尽管 McMorris 支持网络技术的发展，但对于 EtherCAT，他并没有看到太多限制。 “我们将 EtherCAT 与 Servotronix 驱动器结合使用，对我们的开放式设计机器人（笛卡尔机器人和三角机器人）进行多轴控制，”他说。 “这是一个非常快的专有网络，抖动远低于1微秒，但它只适合自动化技术中的某些硬实时和软实时计算要求。”

加州弗里蒙特 Owens Design 的软件开发总监 Doug Putnam-Pite 很欣赏 EtherCAT 和 CC-Link IE 等专有网络提供的实时通信功能，但他也承认它们的局限性。 “这些技术的缺点是它们只能与支持该协议的控制设备一起使用，”普特南-皮特说。 “这意味着同一网络上不能有不支持该协议的设备。这些现场总线网络必须与工具中的任何其他以太网分开。”

TSN 可以允许当前无法实时通信的设备进行实时通信。 “时间敏感的网络为集成商提供了更多关于如何构建控制系统的选择，”Putnam-Pite 说。 “具有时间敏感网络的工具可能能够分散控制，允许各个设备直接实时相互通信，从而允许从中央工具控制器卸载一定程度的控制。此外，PC 可能能够以半实时方式与时间敏感网络设备进行通信。”

进度报告

“对于部署 TSN 的机器制造商、系统集成商和制造商来说，它需要被纳入工业自动化协议中，并得到足够多的供应商的支持以构建一个系统，”工业互联网联盟 (IIC，www.iiconsortium.org) 的 TSN 测试台协调员兼思科物联网解决方案架构师 Paul Didier 表示。 “目前情况并非如此，但业界正在努力实现这一目标（图 1）。”

图 1：网络、自动化和电子领域的许多行业领导者正在顺利进行 TSN 众多部分的测试。
（来源：工业互联网联盟）

ODVA (www.odva.org) 总裁 Al Beydoun 博士表示，目前正在制定一套大约 12 项 IEEE 802 标准，旨在解决 TSN 所需的确定性和服务质量问题。 “此外，必须保持互操作性。完成 TSN 的 IEC/IEEE 60802 工业规范是关键，目标是在 2021 年中期完成，”他说。 “与此同时，在 TSN 底层标准最终确定之前，EtherNet/IP 规范等网络规范的更新不会最终确定。”

PI 北美公司执行董事 Michael Bowne 表示，标准以太网在设计上并不是确定性的。 “时间敏感网络是一个包含大约两打 IEEE 标准的工具包，可创建标准化的确定性以太网，”他解释道。 “现在工业自动化以外的其他行业对确定性以太网感兴趣，因此硬件市场更大。我们的想法是，最终这项技术将通过商用现成 (COTS) 芯片提供。在 TSN 工具箱中的 IEEE 标准中，我们已经确定了大约六个与工业自动化特别相关的标准。这些标准通过同步、低延迟、高可用性和鲁棒性等特性解决了确定性问题。”

制定正确的标准很重要，但这需要时间。 “如上所述，TSN 是一个包含许多不同标准的工具箱，而不仅仅是一种标准，”Bowne 说。 “有些与工业自动化相关，有些则不然。为了确保我们不会在工业自动化中出现不同风格的 TSN，我们已经开始了一项名为 IEC/IEEE 60802 的工作。目前，该工作人员由来自大大小小的自动化供应商的工程师组成，以确保各公司之间的协调一致。”

Relyum 片上系统工程首席执行官 Armando Astarloa Cuéllar 表示，数字工厂需要通信的互操作性和简单性。 “TSN 是专为满足这些要求而设计的新一代以太网，”他说。尽管 TSN 的引入将根据行业的不同而逐步推进，但铁路、汽车或航空航天等一些关键行业正在采用 TSN 作为其新平台中的标准 IT/OT 网络。

为什么应该关心 TSN？

“从用户的角度来看，目前时间敏感网络的状态有点停滞不前，”罗克韦尔自动化网络 IIPA、全球标准、OPC 和时间敏感网络业务开发经理 Paul Brooks 表示。 “IEEE 802 中的 TSN 标准已经发布，但它们只提供功能级互操作性，而不是系统级互操作性，”他说。 “因此，从供应商的角度来看，我们作为工业自动化社区正在开发 IEC/IEEE 60802，它将确定 TSN 的工业自动化配置文件，以提供这种系统级互操作性。”

Brooks 继续说道，只有当这些标准被锁定时，ODVA 等协议组织才能够在规范中发布该配置文件。 “一些公司已经发布了预标准产品，虽然它们会带来用户价值，但不能保证这些产品将与最终标准兼容，”他说。

思科的 Didier 表示，2018 年 11 月，OPC 基金会宣布了现场级通信计划，该计划得到了广泛的工业和 IT 参与者的支持：ABB/B&R、Belden、思科、华为、英特尔、三菱、Moxa、罗克韦尔自动化、施耐德电气、西门子等。他表示：“我们的愿景是在传感器、执行器、控制器和云之间建立一个开放、统一、基于标准的 IIoT 通信解决方案，满足工业自动化的所有要求。” “该计划将纳入 OPC 在发布/订阅和 TSN 通信方面的工作（图 2）。”

图 2：TSN 与 OPC UA 的通信将使控制应用程序能够在开放的标准网络上运行，并具有各种其他流量和应用程序（传感器到云）。
（来源：赫优讯）

TSN 使所有控制应用程序都能够依赖于开放的标准网络。 “该网络还可以支持各种其他类型的流量和应用程序。这种融合和通信能力、传感器到云是关键的改进，”Didier 说。

“TSN 旨在通过标准以太网提供确定性消息传递和实时功能，以确保在固定且可预测的时间内进行信息通信，”Beydoun 解释道。 “TSN 的关键应用将是那些需要精确定时控制和确定性网络行为的应用。然而，在任何需要更高带宽和更快网络响应的工业应用中，以太网 TSN 都是理想的选择，就像传输音频和视频信息的网络应用一样。TSN 的可扩展性将允许在更高的千兆位传输速率下实现高带宽数据包流，并保证延迟。”

为什么我需要 TSN？

“许多集成商和机器制造商质疑 TSN 的必要性，并声称现有的工业以太网和相关协议（例如 EtherNet/IP、EtherCAT 和 Profinet）可以满足他们的需求，因此‘为什么我需要 TSN？’是一个常见问题，”PI 北美公司的 Bowne 说道。 “这是一个有效的技术，特别是因为 TSN 使用的许多技术（同步、带宽预留、调度）是我们在 Profinet 中使用了超过 15 年的技术。如果 TSN 当时就存在，我们就会采用它并节省大量的工程工作。然而 Profinet 始终允许高速控制相关流量与其他信息相关流量共存。”

完全相同的原理也适用于 TSN，那么，为什么需要它呢？ “答案很微妙，并且与网络的未来有关，”鲍恩说。 “随着我们进入工业 4.0/工业物联网 (IIoT) 领域，越来越多的信息将被提供给更高级别的系统。最终，普渡模型可能会出现某种程度的扁平化。虽然 TSN 可能不是这一趋势的驱动因素，但它肯定可以成为帮助实现这一趋势的工具之一。”

Bowne 解释道，未来，我们预计，随着 IT 协议利用越来越多的带宽，TSN 将确保时间敏感（因此称为 OT 流量），即使在负载着其他尽力而为 IT 流量的网络上，也能获得所需的确定性。 “只要它们都共享一个共同的 TSN 基础，那么制造商就可以开始实施融合的 IT/OT 网络，而不必担心他们的 OT 流量会以 IT 流量为代价而牺牲，”他说。 “我们希望延续这一长期坚持的理念，因为我们相信使用正确的工具来完成正确的任务：用于移动数据的 Profinet 协议，用于移动信息的其他协议，例如 OPC UA，所有这些都在一根线上。”

Relyum 的 Cuéllar 表示，OT/IT 集成路线图不会以通过网关连接大量异构设备的中间情况结束。 “相反，它提高了链路级别通信技术的采用，这对两个世界都有效，”他说。 “通过这种方式，在同质工厂中实现全方位的数据交换拓扑是可行的，类似于支柱（图 3）。”

图 3：自动化支柱显示了工厂车间 I/O 设备和控制器与工厂、企业级和云之间的清晰、高速连接。
（来源：Belden，来自片上系统工程）

这一自动化支柱基于 Belden 技术与创新高级架构师 René Hummen 题为“什么是 TSN？看它在未来以太网中的作用”的博客文章。

在这个支柱背景下，传统的基于层的通信和网络安全方案不再有效。 “现场 I/O 中包含的元素将直接与远程云中启用的应用程序和服务进行通信，”Cuéllar 解释道。 “因此，确保不同设备之间的通信安全至关重要。TSN 的实时要求是保护此类网络的巨大挑战之一，因为传统的网络安全 IT 机制无法保证以所需的延迟传输数据包。”

TSN 不是一个协议
TSN 只是以太网的另一个更好版本；这不是一个协议。 “正在改进的是所有基于以太网的协议所依赖的基础设施，”PI 的鲍恩说。 “TSN 位于 IOS/OSI 模型的数据链路层（第 2 层）（图 4）。协议位于 ISO/OSI 模型的应用层（第 7 层）。网关在不同协议或语言之间转换数据。”

图 4：TSN 驻留在 IOS/OSI 模型的数据链路第 2 层，而不是驻留在应用程序第 7 层的协议。
（来源：Pi 北美）

TSN 旨在补充现有网络功能。 “在引入 TSN 后，现在可用并提供可靠操作的网络功能应该以同样的方式可用，”罗克韦尔的布鲁克斯说。 “它不应该强迫行为发生任何改变，除非有新的价值证明这种改变是合理的（图 5）。”

图 5：引入 TSN 后，大部分网络硬件和功能可靠性将保持不变，但会增加价值以证明更改的合理性。
（来源：罗克韦尔自动化）

Brooks 继续说道，重点关注 EtherNet/IP，时间敏感网络完全独立于通信协议。 “ODVA 和 OPC 基金会等协议组织的任务只是定义他们的协议如何与 TSN 配合使用，并使 TSN 对用户尽可能透明，”他说。 “他们需要做到这一点，同时使现有的服务质量机制，例如 DSCP（差异化服务代码点）成为大多数机器制造商和系统集成商永远不需要理解的缩写！”

TSN 将如何帮助应用程序？

“如果我们都正确地完成我们的工作，机器制造商或系统集成商根本不需要与 TSN 进行太多交互，”PI North America 的 Bowne 说道。 “它将易于使用，并且对 Profinet 相关的工程、配置和调试任务是透明的。它只是当今使用的以太网的更好版本。”

罗克韦尔公司的布鲁克斯说，时间敏感网络是一种使网络扁平化变得更容易的工具，但它只是使这成为可能和实用的工具之一。 “例如，网络分段是安全网络架构的核心，”他解释道。 “时间敏感的网络对分段没有帮助。为此，您需要使用路由协议，而 TSN 不支持路由。”

然而，如果您有多个高带宽流通过单根电缆，那么 TSN 肯定可以减少了解网络链路将按预期运行所需的工程工作量，Brooks 解释道。 “网络上的每个设备都可以公布流量以及将流量发送到网络基础设施的周期性速率，”他说。 “网络基础设施可以根据流经网络的总流量来规划网络负载。它还可以保护网络资源，以帮助确保该流量能够流过网络。”

思科的 Paul Didier 表示，TSN 使各种 IE 协议能够将单一互连网络用于所有工业控制应用（例如 I/O、安全和运动），并与其他设备（例如摄像机和应用）共存，同时保持控制应用所依赖的确定性网络要求。 “通过这种方式，工业物联网应用程序可以直接、安全地访问终端设备，以提取网关通常无法处理的非常相关的数据和信息，”他说。

作者简介：Dave Perkon
Dave Perkon 拇指Dave Perkon 是《控制设计》的技术编辑。他曾为医疗、汽车、半导体、国防和太阳能行业的财富 500 强公司设计和管理自动化项目。