虹科干货 | 在工业4.0阶段，如何利用TSN时间敏感网络技术打造数字化工厂？（1）

 

Time Sensitive Networking

数字化工厂对通信的互操作性和简单性要求更高，而TSN（时间敏感网络）则是专门为满足这些要求而设计的新一代以太网技术。虽然TSN的引入需要根据不同的行业领域逐步进行，但在一些诸如铁路、航空航天等关键领域，正在采用TSN作为其新平台的标准IT/OT网络。目前，虹科的TSN IP核、TSN板卡、TSN交换机等多种TSN解决方案已嵌入到工业部门的终端设备、TSN测试设备和铁路系统中。

 

Part 1

推进工业网络OT/IT的融合

在工业自动化和数字化深入发展的工业3.0阶段，生产和管理之间相互关联的金字塔形拓扑结构被重新定义。如图1所示，在金字塔的底层，生产通常由定义输入和输出逻辑的PLC控制。在更高的层面上，SCADA 和工业 MES 生产管理软件从底层的媒介工具接收信息。在金字塔的最高点，ERP类全方面资源管理软件将用于规划企业的整体业务操作。

 

图1 工业3.0阶段的金字塔示意图
 

 

数字化进程的演变基于对 "数据 "的大量使用，并旨在通过对产品和生产的全面了解，获得更大的生产力。这种正全球推进的行业数字化正迫使运营网络（Operational Technologies - OT）和数据网络（Information Technologies - IT）通过网关技术互连。在 OT 和 IT 两个世界中部署的技术通常完全不同，并且通常不可互操作。这种不匹配导致了大量异构设备的出现，这被称为“棕色地带（Brownfield）”。

 

然而，OT/IT的融合并没有因此而停滞，相反，它提出了一种在链路层使用对OT/IT两个世界都有效的通信技术解决方案。通过这种方式，在同质工厂中实现全对全数据交换拓扑是可行的。如图2所示，在底部靠近生产装置附近放置了一个基于分布式控制的结构，即基于一定的智能和通信能力的输入/输出单元。这种称为 Field I/O 的结构与强大的计算和通信边缘计算设备以及本地服务器连接构成了本地云（Local Cloud）。

 

图2 工业4.0阶段的支柱示意图
 

 

在这种情况下，传统的基于层的通信和网络安全计划不再有效，包括在现场I/O中的单元将直接与应用和服务进行通信，因而需要一个单一的OT与IT互连网络，即所谓的工厂主干网（Factory Backbone）。然而，要从理论走向实践，则需要一种有效的通信技术来支持 OT 流量的实时行为和 IT应用程序所需的大带宽。此外，它必须是安全的，甚至是可互操作的、标准化的和免许可的。而时间敏感网络技术，则是成为这一需求的最佳方案。

 

Part 2

时间敏感网络TSN

自1983 年本地计算机网络解决方案被标准化为以太网以来，时间敏感网络便已经从技术和应用层面上得到了发展。虽然它最初的用途是面向本地计算机网络，但以太网技术已经扩展到其他多个领域。事实上，它已成为现场总线的事实标准，并因在工业（Profinet、以太网 IP、Ethercat、Sercos III 等）、电气行业（IEC 61850的高可用性以太网）和汽车行业中的广泛应用而脱颖而出。

 

过去出现的多种基于以太网的方案解决了以太网在其原始版本中的一个关键缺点：缺乏实时通信支持。由于这些专有解决方案的应用，OT中对确定性的要求已被满足。然而，不同制造商的解决方案缺乏可解释性，限制了最终用户向独特的计算和网络基础设施自由演进的能力。因此，市场需要具有确保长久使用且独立于供应商的标准化技术解决方案。这样的方案将显著降低设备成本和维护工作量，并大大简化数据分析服务、机器学习、MES或ERP等工业软件的集成工作。

 

 

 

从这个意义上说，时间敏感网络任务组定义的 IEEE 标准集在 IEEE 802 上提供确定性通信服务，而这组标准被称为时间敏感网络 (TSN)。目前，原AVB工作组已更名为IEEE TSN 任务组，负责制定与TSN相关的所有标准。TSN技术的基础是时间整形器（Time-Aware Shaper）。该机制旨在将以太网中的通信分为固定持续时间的重复循环，这些循环根据组成网络的节点允许的 TSN 配置分为临时窗口，可以为每个时间窗口配置和分配八个可用的以太网优先级中的一个或多个。时间感知整形器的操作细节在 IEEE 802.1Qbv 标准中被定义。

 

考虑到这种区分能力，TSN定义了三种基本的流量类型：计划流量、尽力而为流量和预留流量。计划流量适用于硬实时消息，尽力而为流量是对任何其他服务质量指标均不敏感的常规以太网流量，而分配给不同时间窗口且为每个优先级类型设置了预留带宽的消息被视为预留流量。这种特定的带宽预留容量对于具有软实时要求的信息（例如视频流）非常有用。

 

图3 根据 TSN 流量类型在时间窗口 (Slots) 中的分布

 

图 3 显示了 TSN 通信的基本时序图。在图3中，每个周期由 2 个插槽组成。计划流量分配给第一个，而尽力而为流量和预留流量则在第二个中并存。典型配置中每个周期需要 8 个插槽，这为定义每个数据流的详细 QoS 参数提供了足够的多功能性。