为何确定性控制对现代系统至关重要

2019年7月5日

确定性控制的累积论据

作者：Brian McMorris | EtherCat | 评论：0

作者：Dave Perkon，技术编辑
转载自Control Design，2019年6月27日

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

机器制造商、系统集成商和制造商需要了解时间敏感网络(TSN)什么？最简单说，它是更好的以太网。

过去为满足性能需求而需要的众多网络和网关，将变为单根电缆上的确定性控制和信息传输。

除了更好性能，它将易于使用，但集成商和终端用户乐于支持现有方案。

“我不认为TSN会给涉足先进制造和机器人的集成商带来复杂性，”亚利桑那州斯科茨代尔Futura Automation总裁Brian D McMorris表示。“我们是车间级集成商。不懂IT世界，但公司架构和愿景聚焦工业4.0，多在车间执行。例如，我们在应用层面通过Tulip Interface软件线涉足制造执行系统(MES)领域。我们提供现场服务能力，帮助客户实施MES、计算机化维护管理系统(CMMS)和质量管理系统(QMS)的效益。”

Futura与IT合作主要在安全端，涉及云方案和云应用安全。“IEEE将公司赞助协议如EtherCAT转为行业协会主导的全球开放标准肯定是好事，但我真不见EtherCAT今日有何短板，除每设备许可证成本，”McMorris说。

McMorris支持网络技术发展，但用EtherCAT未见太多限制。“我们在开放设计机器人——笛卡尔和Delta——上用EtherCAT配合Servotronix驱动器做多轴控制，”他说。“它是抖动大幅小于1微秒的极快专有网络，但仅适用于自动化技术中特定软硬实时计算需求。”

加州弗里蒙特Owens Design软件开发总监Doug Putnam-Pite赞赏EtherCAT和CC-Link IE等专有网络提供实时通信，但也承认其局限。“这些技术缺点是仅支持该协议的控制设备，”Putnam-Pite说。“意味着网络上不能有不支持协议的设备。这些现场总线网络必须与工具中其他以太网网络隔离。”

TSN可能让当前无法实时通信的设备实现实时通信。“时间敏感网络给集成商更多控制系统架构选择，”Putnam-Pite说。“具备时间敏感网络的工具可能实现控制去中心化，允许单个设备直接实时通信，将部分控制从中央工具控制器卸载。此外，PC可能以半实时方式与时间敏感网络设备通信。”

进展报告

“机器制造商、系统集成商和制造商部署TSN，需将其纳入工业自动化协议并获足够广泛供应商支持以组建系统，”工业互联网联盟(IIC, www.iiconsortium.org)TSN测试平台协调员、思科物联网解决方案架构师Paul Didier说。“尚未达标，但业界正努力达成目标(图1)。”

图1：网络、自动化和电子行业领袖正广泛开展TSN众多部分测试。(来源：工业互联网联盟)

ODVA主席Dr. Al Beydoun(www.odva.org)称，正定义约12个IEEE 802标准以解决TSN所需确定性和服务质量。“此外必须保持互操作性。IEC/IEEE 60802工业TSN规范完成是关键，目标2021年中，”他说。“同时，如EtherNet/IP规范等网络规范更新，要等TSN底层标准定稿后才能定稿。”

PI北美执行董事Michael Bowne称标准以太网设计上非确定性。“时间敏感网络是约二十多个IEEE标准的工具箱，创建标准化确定性以太网，”他解释。“如今除工业自动化外其他行业也对确定性以太网感兴趣，硬件市场更大。最终这技术将从商用现货(COTS)芯片获得。TSN工具箱中IEEE标准，我们确定约半打与工业自动化特别相关。这些标准通过同步、低延迟、高可用性、鲁棒性等特性解决确定性。”

标准制定需时间确保正确。“如前所述，TSN是多标准工具箱，非单一事物，”Bowne说。“一些与工业自动化相关，一些不相关。为避免工业自动化出现不同风味TSN，启动了IEC/IEEE 60802工作。目前由大小自动化厂商工程师组成，确保跨公司协调。”

Relyum系统级芯片工程CEO Armando Astarloa Cuéllar称数字工厂要求通信互操作性和简洁性。“TSN是专为满足这些需求设计的新一代以太网，”他说。虽TSN导入将因行业渐进，但铁路、汽车、航空航天等关键行业已在新平台采用TSN为标准IT/OT网络。

为何应关注TSN？

“从用户视角，目前时间敏感网络状态有点停滞，”Rockwell Automation网络业务开发经理、全球标准、OPC和时间敏感网络Paul Brooks说。“IEEE 802 TSN标准已发布，但仅提供特性级互操作性，非系统级，”他说。“因此，从厂商视角，我们工业自动化界正开发IEC/IEEE 60802，将确定TSN工业自动化规范以交付系统级互操作性。”

仅当这些标准锁定，协议组织如ODVA才能在规范中发布该规范，Brooks续称。“一些公司发布预标准产品，虽交付用户价值，但无保证兼容最终标准，”他说。

2018年11月，OPC基金会宣布得到极广泛工业和IT参与者支持的现场层级通信倡议：ABB/B&R、Belden、Cisco、Huawei、Intel、Mitsubishi、Moxa、Rockwell Automation、Schneider Electric、Siemens等，思科Didier称。“愿景旨在传感器、执行器、控制器和云间，面向工业自动化所有需求的开放、统一、基于标准的IIoT通信解决方案，”他说。“倡议将纳入OPC在发布/订阅和TSN通信上的工作(图2)。”

图2：TSN配合OPC UA使控制应用能在开放标准网络上工作，支持多种其他流量和应用——传感器到云。(来源：Hilscher)

TSN使所有控制应用依赖开放标准网络。“该网络也支持大量其他流量类型和应用。这种融合和传感器到云通信能力是关键改进，”Didier说。

“TSN旨在通过标准以太网提供确定性消息和实时能力，确保信息在固定可预测时间内通信，”Beydoun解释。“TSN关键应用将是需要精确时序控制和确定性网络行为的场景。然而，在传输音视频信息的网络应用中，如需更高带宽和更快网络响应，也期望以太网TSN。TSN可扩展性允许在更高千兆传输率下高带宽流式传输分组并保证延迟。”

为何需要TSN？

“许多集成商和机器制造商质疑TSN必要性，称现有工业以太网及相关协议如EtherNet/IP、EtherCAT和Profinet满足需求，故‘为何需要TSN？’是常见问题，”PI北美Bowne说。“合理问题，尤其因TSN采用的许多技术——同步、带宽预留、调度——在Profinet用了15年以上。若TSN早存在，我们会采用并省大量工程力。且Profinet始终允许高速控制流与其他信息流共存。”

同一原则适用TSN，为何还需要？“答案微妙且关乎网络未来，”Bowne说。“迈向工业4.0/工业物联网(IIoT)领域，越来越多信息将提供给高层系统。最终可能出现Purdue模型某种扁平化。TSN虽非驱动力，但肯定是助力工具之一。”

未来设想随IT协议占用更多带宽，TSN将确保时间敏感——故名——OT流量获得所需确定性，即使网络负载其他尽力而为IT流量，Bowne解释。“只要共享共同TSN基础，制造商即可开始实施融合IT/OT网络，无需担心OT流量牺牲于IT流量，”他说。“我们要延续这长期理念，因信用对任务用对工具：Profinet协议移动数据，其他协议如OPC UA移动信息，全在单根线上。”

OT/IT融合路线图不止于异构设备通过网关连接的中间状态，Cuéllar说。“反之，它提升链路层面对两个世界都有效的通信技术采用，”他说。“这样在同质工厂中可行全互联数据交换拓扑，类似支柱(图3)。”

图3：自动化支柱显示车间I/O设备和控制器到工厂、企业级和云的清晰高速连接。(来源：Belden via System-On-Chip Engineering)

此自动化支柱基于Belden高级架构师René Hummen博客《什么是TSN？展望其在未来以太网网络中的角色》。

此支柱语境下，传统基于层的通信和网络安全方案不再有效。“现场I/O包含的元素将直接与远程云启用的应用和服务通信，”Cuéllar解释。“因此保护设备间通信至关重要。TSN实时要求是保护此类网络的巨大挑战之一，因传统IT网络安全机制无法保证所需延迟的分组传输。”

TSN不是协议

TSN只是另一个更好的以太网版本；它不是协议。“改进的是所有基于以太网协议赖以存在的基础设施，”PI的Bowne说。“TSN位于ISO/OSI模型数据链路层(第2层)。协议位于应用层(第7层)。网关在不同协议间翻译数据。”

图4：TSN位于ISO/OSI模型数据链路层第2层，非协议，协议位于应用层第7层。(来源：Pi North America)

TSN设计为现有网络功能的增量。“今日可用且提供可靠运行的网络功能，引入TSN后应以相同方式可用，”Rockwell的Brooks说。“除非有新价值证明变更合理，不应强制行为改变(图5)。”

图5：TSN引入后大部分网络硬件和功能可靠性保持不变，但将增加价值以证明变更合理。(来源：Rockwell Automation)

聚焦EtherNet/IP，时间敏感网络完全独立于通信协议，Brooks续称。“ODVA和OPC基金会等协议组织的任务仅是定义其协议如何与TSN配合，使TSN对用户尽可能透明，”他说。“且需在让现有服务质量机制如DSCP(差分服务代码点)——大多数机器制造商和系统集成商永远不需理解的首字母缩写——保持透明的同时做到这一点！”

TSN如何助力应用？

“如果我们都做对工作，机器制造商或系统集成商几乎无需直接与TSN交互，”PI北美Bowne说。“它将易于采用且对其Profinet相关工程、配置和调试任务透明。只是今天所用以太网的更好版本。”

时间敏感网络是让网络扁平化更容易的工具，但只是使此成为可能和实用的工具之一，Rockwell的Brooks说。“例如，网络分段是安全网络架构核心，”他解释。“时间敏感网络不助分段。这需路由协议，TSN不支持路由。”

然而，若多条高带宽流通过单根电缆，TSN肯定能减少知晓网络链路按预期运行所需工程力，Brooks解释。“网络上每个设备可宣告流量量和周期发送率，”他说。“网络基础设施可基于总流量规划网络负载。也可保护网络资源确保该流量通过。”

TSN使各工业以太网协议用单一互联网络承载所有工业控制应用——如I/O、安全和运动控制——并与其他设备(如视频摄像头)和应用共存，同时维持控制应用赖以生存的确定性网络需求，思科Paul Didier说。“这样工业物联网应用可直接安全访问终端设备提取极相关数据和信息，这些往往网关无法处理，”他说。

作者简介：Dave Perkon

Dave Perkon是Control Design技术编辑。曾为医疗、汽车、半导体、国防和太阳能行业财富500强公司设计和管理自动化项目。