5G為工業(yè)智能畫下未來理想愿景 基于以太網(wǎng)的實時通信勢在必行

全球知名咨詢機(jī)構(gòu)“羅蘭貝格”在其《擁抱5G新世界》的產(chǎn)業(yè)報告中指出：5G通過強大的無線連接、邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將助力無線自動化控制、工業(yè)云化機(jī)器人、預(yù)測性維護(hù)、柔性生產(chǎn)等行業(yè)突破，驅(qū)動工業(yè)4.0的真正落地，進(jìn)一步推動未來工廠的誕生。然而，盡管在技術(shù)性能指標(biāo)上5G可以承載工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同的典型業(yè)務(wù)，但業(yè)界普遍認(rèn)為5G工業(yè)應(yīng)用仍然存在很多關(guān)鍵問題有待解決，包括：網(wǎng)絡(luò)中斷對于工廠設(shè)備和生產(chǎn)的影響是不可接受的，需要解決安全性和可靠性；傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)場總線和數(shù)據(jù)采集設(shè)備兼容性存在很多問題，改造難度和成本高；針對工業(yè)應(yīng)用場景的URLLC（超可靠、低時延通信） 0.5ms的上下行時延目標(biāo)難以滿足部分強時間敏感性工業(yè)應(yīng)用的要求等等。

如果說部署中的5G為工業(yè)智能畫下未來的理想愿景，那么基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）改造大量應(yīng)用于工業(yè)制造的以太網(wǎng)則已經(jīng)就位，相關(guān)技術(shù)正在促成智能制造落地。ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程師Volker 在兩年前曾撰文指出：“TSN勢不可擋，而唯一有待確認(rèn)的是什么時候到來以及以什么形式到來。”而今天，各種勢頭顯示落地已經(jīng)進(jìn)入進(jìn)行時?！巴ㄟ^與TSN特性相結(jié)合，ADI在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣已經(jīng)實現(xiàn)了最先進(jìn)的現(xiàn)場設(shè)備通信解決方案。” ADI中國區(qū)工業(yè)自動化行業(yè)市場部經(jīng)理于常濤（Roger）在前不久的一次行業(yè)交流活動中透露，他提及的先進(jìn)現(xiàn)場設(shè)備通信解決方案是該公司支持多種以太網(wǎng)協(xié)議交換的fido5000系列交換平臺。

無論是5G還是傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)改造都需要達(dá)到工廠間設(shè)備的苛刻性能要求。

從雷聲大到雨聲大，基于以太網(wǎng)的實時通信勢在必行

時間敏感網(wǎng)絡(luò)是指IEEE 802.1工作組中的 TSN 任務(wù)組開發(fā)的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間敏感機(jī)制，為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)定一致的服務(wù)級別。該技術(shù)在初期就引起業(yè)界的重視，特別是近兩年來這個曾經(jīng)陌生的專業(yè)詞匯在各種專業(yè)媒體上頻繁出現(xiàn)，成為工業(yè)4.0山雨欲來前的“雷聲陣陣”。

而時間進(jìn)入2019年，TSN在產(chǎn)業(yè)界則更多的聽到落地的“雨聲”：PROFINET最新規(guī)范V2.4版本發(fā)布，該規(guī)范最大亮點是實現(xiàn)了將TSN作為第二層的技術(shù)集成到PROFINET架構(gòu)中的設(shè)定目標(biāo)；新一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議CC-Link IE TSN也差不多同期發(fā)布，在全球率先將千兆以太網(wǎng)帶寬與TSN相結(jié)合，拓展了CC-Link IE基于工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)企業(yè)從信息層到應(yīng)用層縱向整合的先進(jìn)通信技術(shù)；而在2019年漢諾威工業(yè)博覽會上，眾多產(chǎn)品演示解決方案都昭示著TSN正在掀起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的浪潮……

于常濤的主題演講：ADI助力加速邁向工業(yè)4.0

隨著各種智能化改造工程的推進(jìn)，各種傳感器節(jié)點與PLC之間的傳統(tǒng)通信協(xié)議讓位于各種版本的超高速以太網(wǎng)協(xié)議，為工廠操作技術(shù)（OT）基礎(chǔ)設(shè)施與企業(yè)信息技術(shù)（IT）基礎(chǔ)設(shè)施采用基于TSN的以太網(wǎng)高度集成創(chuàng)造了條件。最近幾年，幾乎所有TSN相關(guān)的工作小組都在解決一項課題：確保轉(zhuǎn)移至TSN以及為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供資源，這將是像各種在原有設(shè)施上翻建一樣。

事實上，業(yè)界已經(jīng)基于TSN成功開發(fā)出符合IEEE 802.1的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)擴(kuò)展版本，成功地擺脫了過去的限制。TSN相較以前的工業(yè)以太網(wǎng)方式最大的技術(shù)優(yōu)勢是其可擴(kuò)展性。與當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，TSN并不針對特定的傳輸速率進(jìn)行定義，TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。“為了支持這種擴(kuò)展需求，ADI推出的fido5000以太網(wǎng)平臺使系統(tǒng)能從任何一種以太網(wǎng)協(xié)議切換到另一種以太網(wǎng)協(xié)議，而無需重新設(shè)計硬件?！盧oger表示。

硬核支持TSN，以太網(wǎng)協(xié)議交換方案布局工業(yè)未來

作為高性能工業(yè)信號鏈相關(guān)技術(shù)的關(guān)鍵提供商，ADI多年前就敏感捕捉到自動化客戶對高度可靠的同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求，例如支持汽車制造工廠多組機(jī)器人在惡劣嘈雜的條件下井然有序地協(xié)同作業(yè)的應(yīng)用環(huán)境。為此，ADI在2016年果斷收購確定性以太網(wǎng)半導(dǎo)體和軟件解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商Innovasic，大力擴(kuò)充公司確定性以太網(wǎng)技術(shù)和專業(yè)知識，為高度同步的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供強大的實時連接。而彼時，IEEE正在制定全新的時間敏感型網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著Innovasic的整合，fido5000系列工業(yè)雙端口交換機(jī)已被納入ADI公司產(chǎn)品線。該交換機(jī)支持所有相關(guān)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，成為ADI支持TSN應(yīng)用的最強硬核技術(shù)方案。

該SoC芯片面向工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的實時以太網(wǎng)多協(xié)議交換機(jī)，能支持當(dāng)今所有主要工業(yè)協(xié)議，利用fido5000現(xiàn)在就可以將產(chǎn)品規(guī)劃過渡至TSN并同時滿足當(dāng)前需求（PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等）。交換機(jī)靈活的架構(gòu)能夠適應(yīng)協(xié)議未來的變化，并且支持未來的協(xié)議及其他發(fā)展，借助fido5000還將使實現(xiàn)OPC UA PUB/SUB成為可能?！袄胒ido5000系列，用戶能夠為應(yīng)對所有工業(yè)場景做好準(zhǔn)備?！?Roger指出。

fido5000交換機(jī)芯片解決主流以太網(wǎng)協(xié)議共存的關(guān)鍵問題。

實時以太網(wǎng)交換芯片和處理器之間通過內(nèi)存總線進(jìn)行通信，以實現(xiàn)高性能、低延遲/低抖動的工業(yè)以太網(wǎng)。內(nèi)存總線還提供了采用PriorityChannel?技術(shù)的主控接口，ADI采用軟硬件協(xié)同設(shè)計開發(fā)了這一過濾技術(shù)，確保來自以太網(wǎng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)得到及時處理，而不受協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)利用率的影響，因此避免了非時間關(guān)鍵型數(shù)據(jù)流量的干擾。這意味著，來自實時通道的數(shù)據(jù)會優(yōu)先于普通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)得到處理。

除了交換功能之外，fido5000還具有強大的定時器控制單元 （TCU）。TCU設(shè)計用于實現(xiàn)各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的同步機(jī)制。通過四個專用輸出或四個通用輸入/輸出，可以實現(xiàn)輸入捕捉等其他功能，也可以輸出任何方波信號。這些端口均直接與同步時間同相。例如，它能以64位分辨率對四個輸入端中任何一處的邊沿到達(dá)加蓋時間戳。在輸出端，任何數(shù)字信號模式都可以與網(wǎng)絡(luò)時間同步輸出。這意味著可以將用戶的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)時間同步，周期時間甚至低至不到31.25μ-s。“但fido5000的功能還不僅限于此—該芯片已經(jīng)為未來做好了準(zhǔn)備！fido5000支持時間敏感型網(wǎng)絡(luò)。未來基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應(yīng)用非常苛刻的實時要求?！?Roger強調(diào)道。

本文總結(jié)：TSN鋪平走向未來工業(yè)之路

作為工業(yè)現(xiàn)場實時通訊需求而生的底層協(xié)議，TSN提供的優(yōu)勢讓IEEE以太網(wǎng)技術(shù)再次與時俱進(jìn)，滿足了當(dāng)下許多工業(yè)自動化技術(shù)的供應(yīng)商和制造商都期待獨立于制造商的開放式通信平臺從而在系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)越來越多的自動化流程。支持TSN的交換機(jī)芯片方案為實現(xiàn)這個愿望提供了一種平滑過渡而有效解決方案。