2017第三届未来制造高峰论坛
工业互联网

改变工业世界的网络,TSN

2025China.cn   2017年06月26日

  工业领域正在不断被IT技术所渗透,工业网络的应用已经无处不在,麦肯锡报告显示,工业物联网市场未来市场远远大于消费物联网和车联网的总和,将达到3.7兆亿美元。

  2017年NI WEEK上,NI将自家平台进行了升级,实现了对于TSN网络的支持,并加大对TSN时间敏感网络的推广投入,NI认为它将是构建未来工业物联网中的必要网络协议。

  但美国记者也问到了笔者同样好奇的问题,现有工业网络协议众多,为什么还需要TSN协议?

  也是带着这样的好奇心我们采访了,NI美国的工业测量事业部经理,Kyle Voossen。他分析了现在工业网络的情况,并且从数据采集和控制的角度,分析了未来工业物联网的进化需要,介绍了NI产品在这方面做出的准备。在Kyle眼中世界将再次发生改变,而这次将是机器与机器之间沟通的方式。

NI美国的工业测量事业部经理Kyle Voossen

 

  工业网络为什么需要TSN

  所有的自动化其实细分就是机器控制,以及系统成型后的物理测试,Kyle解释。NI的工业自动化产品中有控制系统平台,也有数据采集平台,也就是我们所熟悉的compactRIO以及compactDAQ两个平台。

  在一个企业网络中,其实也是由最上层的数据存储的服务器端与中层的数据采集平台(compactDAQ)和控制平台(PLC/compactRIO)再到最下层的传感器层三者组成,控制和数据采集两个平台则根据具体控制命令和测试测量的需要接驳不同类型的传感器,传感器与两个平台之间的沟通需要一种总线协议,这里可以是支持模拟量与数字量混合的HART,而数据采集平台和控制平台设备之间的沟通又是一种协议,一般采用被广泛接受的Profinet协议。最终控制数据与测量数据都要上传到服务器端,进行存储和处理,那么这一块的网络协议就可以是我们普通的以太网协议TCP/IP。

  在三种网络中进行协作是一种挑战,而带宽的高效利用更是一种挑战,如何能让一个数据从下至上保持最大的同步,而保持数据传递的实时性和确定性是未来“工业4.0”和工业物联网实施中需要面对的问题。

  而在TSN网络中完全可以解决,TSN其实不是数据总线,而是一个以太网的进化标准,它的出现将带来的是一场工业网络的进化。

  由于现有网络的数据传输方式不是并行而是串行,发送端因为没有时间时序的控制,永远最大可能的发送数据,这就很容易导致网络拥塞,带宽资源被浪费。

  未来工业现场使用中对控制命令和数据采集之间的协作提出了更高的要求,高数据量的传输中如果控制动作指令出现延迟,后果则不堪设想。

 

  非TSN网络很容易出现数据拥挤

数据拥塞的后果导致赛道闸门动作延迟,赛车飞出跑道

 

  TSN的优势

  10年前的测量可能是一个PC加上一个数采设备,通过USB接口来进行数采,但是现在都在构建分布式系统,数据采集将在各自的子系统中完成。数据在哪里产生就在哪里收集,TSN就好像当年PC的USB接口。在分布式系统中TSN也有很多性能上的优势。具体是以下四点:

  1. 同步性,分布式网络本身可以是一个很大的系统,TSN有着非常好的网络同步性,实现了亚微秒级的同步可以让子系统与上层通讯网络之间的数据输送实现很好的协同。

  2. 可靠性,由于对于时间时序的控制,意味着数据将永远能够找到最佳通道,不会出现网络拥塞,带宽会被最大化的利用,这样客户的网络投资利益也会最大化。

  3. 数据的确定性和带宽的冗余性,由时间对数据进行了确定性的分配,每段传输的数据流会得到整理,一段时间内传输特定的数据可以在传输后得到确认,并且传输效率提高后网络的冗余性也获得了提高。

  4. 组态更容易,优化后的网络环境使系统组态,调试变得更加容易,降低反复调试的概率。

  NI的所有设备都会兼容这一标准,去年NI已经将compactRIO控制器进行了TSN网络兼容升级,今年又再次升级了数据采集平台compactDAQ。其他公司如思科的网关以及Intel的芯片都开始对其进行了支持。很快也会看到所有的PLC控制器对TSN网络的升级,这时机器就可以在这种新型的网络中进行对话互联。

 

  其它工业以太网协议的基础

  TSN其实现在已经不是一个简单的网络协议,而是所有协议的基础。

  现有的现场以太网和总线包括profinet ,ethernet/IP和modbus powerlink等协议,但由于数据传输的要求在不断提高,现有协议在带宽上显得捉襟见肘。

  从汉诺威得到的最新消息Profinet,ethernet/IP,以及opcUA等协议都已经开始在向TSN迁移,TSN已经作为支持这些协议的基础。工业其实是一个更新进步缓慢的产业,但是在TSN网络上所有企业可以说进步的非常快。

  NI的IIOT实验室也在与业界多家知名企业广泛进行合作来对其产品进行支持,其中NI与思科作为IT技术提供者,博世,施耐德电气,西克当然也包括NI来提供硬件平台。实验的目的也是能够让各家的产品之间实现更好的兼容,稳定在TSN网络中运行。

  致力于开放标准的推广

  TSN其实是一个开放性的IEEE802.1的协议标准,并非NI一家所独有,纵观科技届可以发现越是开放的标准越容易获得成功,开放标准会对NI和整个行业带来巨大的效益,NI也一直致力于把商用领域的技术带给专业用户,如FPGA和PXI总线都是一个开放型技术标准,NI这次能把TSN这样的开放技术带给用户,让所有人都能够在IIOT的技术浪潮的中获得收益。NI与合作伙伴共同从现有的总线协议中学习技术,并不追求替换现存总线或者工业以太网,而是更多的是去丰富和兼容,毕竟没有现有总线其实也无法去建立TSN,多方合作才能构建一个IIOT的系统生态。cRIO也会逐步的更多的在这样的生态系统中出现,与现有的PLC相结合提高现有工业现场的控制能力,并与cDAQ结合形成更完美的工业网络。

  边缘数据采集的优势

  IIOT也带动了边缘计算的兴起,对产品的性能也提出了新的要求,NI根据不同应用会有一个不同的处理情况,基本上40-50%的计算NI可以在边缘端进行处理,剩下的再收集到云端。

  IIOT是一个不单纯的环境,生产环境很多情况比较脏,噪音,震动这些影响比较大,如何能够保证这些因素不影响产品的测量结果是NI很早就已经考虑到的问题。

  NI的产品可以说在性能与坚固性上做到了双硬,其它的一些IPC数采类产品很难做到这样的水平。

  在性能方面,NI平台已经可以进行纳秒级运算,数据采集和控制的效率相当领先,另外从硬件平台到软件都提供了一个开放性的架构,可以帮助用户在不同的设备之间进行通讯。

  数据采集平台也拥有完善的解决方案,可以根据用户的需求,用带隔离和带调理的板卡与不同类型的传感器相连接将数据进行收集。

  坚固耐用也是NI硬件产品的特点,提供-40到70摄氏度的宽工作温度范围,50g的抗冲击性,5g的抗震性,足以应付多种IIOT工作环境。

  最后大量数据的采集上需要精确的同步功能,实时上传到云端,这就又回到了实时性和确定性的话题,所以NI才要在每个产品中植入了TSN。

  控制选择PLC还是cRIO

  最后Kyle也简单对比一下PLC与compatRIO,这两者同属控制器范畴,但cRIO的功能和运算能力都要强大的多,可以实现更多复杂类控制,譬如激光,液压等,电磁屏蔽的效果也会更好,如果对控制有更高的要求,可以选择考虑cRIO,并结合NI compactDAQ数据采集平台,与TSN网络打造一个全面基于NI的工业控制网络,尤其在高速,高生产节拍产线当中帮助产品提高生产良率,组态调试也会更加简单。

(IIANews原创,转载请注明出处)

标签:NI 工业网络 物联网 TSN 我要反馈 
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