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？（2）

 

 

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。

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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）

 

在TSN技术中，时间感知整形器允许定义每个周期中存在的临时窗口的数量、它们的持续时间和可以传输的流量类型。在这种操作模式下，计划流量具有专用窗口，以保证实时消息通信的确定性行为。尽力而为的流量容纳在每个操作周期的其余临时窗口中。按照 IEEE 802.1Qav的规定，在 TSN 中优先考虑和优化带宽使用的最重要改进之一是使用基于信用的整形器。
 

 

此功能支持对预留流量的管理，这增加了指定流量的优先级，使其比尽力而为流量具有更高的优先级，与计划流量相比具有更低的优先级。通过使用 IEEE 1588 同步协议，解决了在构成 TSN 网络的所有设备之间提供纳秒范围内的临时同步的挑战。由于该技术提供的精度，可以控制通过网络引入的延迟，并根据临时事件获得确定性的以太网解决方案。TSN 中使用的特定IEEE 1588配置文件是IEEE 1588ASrev。

 

HONGKE

虹/科/方/案

虹科RELY-TSN-PCIe板卡

为了便于访问该技术并允许与传统 PC 系统无缝连接 TSN，虹科推出了一种可插入任何 Windows 或 Linux 电脑的 TSN NIC 卡。 该板卡通过为 PC 上的通信提供标准网络接口，并集成了一个4端口 SoC-e TSN Bridge，从而将复杂的技术难题简单化，且不需要在主机上安装任何特殊软件。此外，该方案可以在TSN网络中使用典型的工业应用和软件，如SCADA、MES、OPC（UA）、MTConnect等。

 

 

虹科RELY-TSN-PCIe

 

此桥接器提供 2 个外部端口，允许连接铜缆或光纤 SFP 模块。此外，2 个内部端口可以与主机（PC、服务器、IPC 等）和卡的内部CPU 进行通信。这个嵌入在板上的 CPU 管理 TSN 通信和同步，并且可以从主机 PC 上运行的任何 WEB 浏览器访问该板卡上运行的软件。该方案允许配置和监控网络状态，而无需在 PC 上运行任何特殊软件。RELY-TSN-PCIe 支持使用标准中定义的 YANG 模型进行自动配置。但是，为了便于早期试点的实施，该板卡允许手动 TSN 配置。例如，下方的截图显示了手动将每个流量优先级分配给每个时隙的方法。

 

在GUI中手动配置时间整形器

 

根据每个应用程序的要求，有必要在主机 PC 的时钟同步中保持不同级别的精度，以及需要具备控制网络和软件之间信息流的确定性的能力。例如，负责机器人控制的虚拟 PLC 服务需要在控制回路数据设置的严格时间限制内访问实时数据（计划流量）。然而，SCADA 软件在同步要求方面更为宽松，在大多数情况下要求微秒范围内的时基，便足以管理受监督的过程。因此，有必要针对每种情况来分析需要集成哪些技术以满足需求，进而避免不必要地增加整体解决方案的复杂性。从这个意义上说，虹科提供了两种可选的TSN板卡方案。

方案1：可以将虹科TSN板卡插入到Linux OS 计算机中

在这种情况下，应用程序、网络和系统的全局同步是可行的。此外，可以在操作系统中使用补丁提供的流量管理和实时操作功能，从而有利于扩大使用的范围并增强整体集成性。

方案2：可以将虹科TSN板卡无缝集成到基于不同版本的Windows操作系统的设备中

在这种情况下，虹科TSN板卡被操作系统视为具有多个基于 VLAN 的虚拟接口的标准 NIC 卡。该板卡通常需要管理计划流量、预留流量和尽力而为流量等内容的识别，而这是通过本地VLAN 标记完成的。Synchronization则通过NTP传输到操作系统中，并兼容Windows，因而可以被其他应用程序使用。若有需要，也可以使用其他替代方案，如在Windows 环境中使用 PTP 协议栈和集成实时中间件。

目前，已有用户使用虹科RELY-TSN-PCIe板卡来使其PC具备TSN功能，其中的一些例子便是SCADA应用和机器互连。

虹科RELY-TSN-PCIe测试配置

 

如上图，在PC1中，计算机托管MTConnect Agent，而该Agent卡通过虹科RELY-TSN-PCIe接收PC2中Adapters 发送的信息，且虹科RELY-TSN-PCIe负责管理的相应插槽中的流量分配。为了方便实验，项目的GIT中提供的Adapters模拟器可以在不需要真机的情况下使用。

 

总结

CONCLUSIONS

工业 4.0 的演进要求通信的互操作性和简单性，而TSN 是专为满足这些要求而设计的新一代以太网。在每个部门和应用程序中引入 TSN 是一个循序渐进的过程。然而，一些关键行业，如铁路或航空航天，对 TSN 表现出极大的兴趣。虹科致力于提供必要的技术，以最适合客户需求的方式向下一代通信网络发展。从这个意义上说，RELY-TSN-PCIe 卡及其评估套件是开始使用技术的绝佳方式，该方案将简化网络基础设施并真正实现 OT 和 IT 的共存。