在IIoT和工业4.0的推动下,TSN(时间敏感网络)已经不算是一个新技术了,但仍在关键的发展阶段。作为IEEE定义的一大以太网扩展,TSN可以说为工业场景中的以太网赋予了新的生机。这是以太网作为一种传统的“Best Effort”网络,在某些时间敏感的应用上开始有些不够看了,难以满足实时性上的要求。

  再加上工业自动化场景中以太网增强标准的混乱,安全性和互操作性缺失,不利于打造一个互联的IIoT。而TSN通过对以太网进行时间同步、流量调度和互操作性等方面的优化,提高提高了工业以太网的整体质量,做到了极低的延迟和抖动。

  与OPC-UA的结合

  即便TSN为工业自动化带来了稳健的通信方案,但仍存在一些限制和缺陷,比如困扰工业用户多年的顽疾,控制器与控制器通信之间的多厂商互操作性,这个问题在网关应用中尤其明显。但如今业界已经意识到这个问题,云服务厂商、OPC基金会和主要自动化技术供应商纷纷达成共识,开始推行OPC-UA Over TSN这种基于物联网机制的高层工业通信协议来应对这一挑战。

  OPC-UA是一种完全开放的标准技术,在OPC-UA Over TSN网络的支持下,TSN依然可以解决工业通信中数据传输和可靠性、确定性的问题,而OPC-UA则提供了一套通用的数据解析机制,确保多供应商的方案之间可以做到互相通信,真正做到一个独立于厂商、低延迟、高鲁棒性的工业通信网络。

  5G与TSN的集成

  在现代与未来工业通信场景中,除了至关重要的有线网络外,无线网络同样不可缺少。尤其是5G这样的移动通信技术。我们提到5G时,脑海中浮现的特色有大带宽、低延迟和高可靠性等,而这些特色对于工业自动化中的不少移动应用都能使用,比如机器人和AGV控制、5G PLC等等。

  再加上URLLC(超可靠低延迟通信)是5G定义的三大场景之一,5G进入工业市场可以说是理所当然的一件事,而5G与TSN的交集也由此诞生。3GPP在R16中制定了对TSN的5G支持,并在R17做了进一步的增强,以求实现5G系统与TSN网络的无缝集成。一个成功集成5G的TSN网络,不仅可以提供不受线缆限制的设备接入,又能做到低延迟、低抖动、高质量的网络传输。

  尽管5G与TSN集成的愿景很美好,但还是存在一些潜在的实现问题。比如要做到低延迟、低抖动,5G网络必须在部署上下大功夫,因为无线传输一向容易被环境影响,难以对延迟做出保证。此外就是5G与TSN网络之间的时间同步,目前两者采用的都是不同的时间同步机制,要想真正集成的话,就必须做好时间同步上的协调,这也是目前主要的研究方向之一。

  TSN向其他市场的延展

  近几年内,汽车市场朝自动驾驶的的过渡可以说改变了整个行业,自动驾驶作为一种便利化技术,可以节省驾驶员不少时间。然而,自动驾驶同样是一个讲究安全、可靠性与性能的技术,在车身内处理器、传感器等半导体元件越来越多的前提下,汽车的网络结构同样需要重新设计。

  在汽车这般重要的通信与控制设备中,为了保证系统的稳定性,避免通信中断等情况的发生,通常都会准备冗余网络方案。为此传统的CAN和LIN等总线技术率先被刷下,留下FlexRay和以太网。然而上文中我们也已经提到了自动驾驶的等级提升下,传感器越来越多,处理器的算力也越来越大,速率和带宽要求会进一步提高。如今的以太网方案已经面向千兆网络,也因此成了构建汽车冗余网络方案的首选。

  以太网中常见的有IEEE 802.1D、IEEE 802.1w和ITU G.8032。然而,这些方案在延迟上并不算优秀,如果发生故障转移通常需要50毫秒以上的时间,对于高速行驶的汽车来说,这50毫秒的时间就是生与死的区别,所以还是得TSN出马。汽车与工业自动化双双驱动下,相信TSN很快就能为这两大传统场景普及到稳健的以太网络。

  文章出处:【微信公众号:电子发烧友网】

TSN时间敏感网络为工业以太网赋予新生机

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