基于TSN技术的工业网络解决方案.pdf

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1、 基于基于 TSNTSN 技术的工业网络解决方案技术的工业网络解决方案 网络网络改造技术改造技术篇篇/前沿技术前沿技术/工厂内网改造工厂内网改造 1 概述 1.1 背景 众所周知，以太网已经成为家庭、企业及数据中心网络连接和互通的最广泛的通信协议标准。然而因为其确定性、实时性、可靠性等因素，传统以太网并不适用于工业数据通讯。例如以太网存在的 CSMA/CD 机制，当网络出现冲突时需不断重发数据，这对于网络实时性带来挑战；另外，因工业现场面临恶劣的工况、严重的线间干扰等，也导致以太网可靠性大打折扣。而工业以太网，相较于传统以太网、现场总线等在实时性、传输速率等方面都有明显的改观，并已经占据了以太

2、网市场的半壁江山。不过，这些专有的工业以太网协议仍然面临瓶颈，虽然它们在满足机器运动控制等方面已经绰绰有余。因为当云计算、大数据技术逐渐渗透到工业领域，工业数据通讯并不再仅限于机器到传感层，也不仅限于机器到机器之间，而是扩展到了与人、云和应用等更丰富的连接，有更多类型和更多海量的数据需要传输和处理，而对于数据处理的链条也变得更长，包括在边缘侧，包括云端，包括与企业生产系统和管理系统的逐步打通。因此，如何应对通过更高带宽进行海量数据的联接和传输，如何做到更精准的确定性控制和更低时延，仍是工业制造面临的巨大挑战。1.2 实施目标 TSN+OPC UA 组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂

3、商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。TSN 技术和 OPC-UA 相结合，可以满足工业应用的各种传输需求。通过该解决方案可以支持工业设备的联网接入，实现设备之间的互联互通。进一步的，使得生产制造系统具有高度灵活性，工厂车间网络架构可以快速调整优化，有效提升网络化协同制造与管理水平。TSN（时间敏感网络）+OPC UA（OPC 统一架构）成为从传感器到云端建立全面通讯基础结构的最佳拍档。TSN 的工作原理是在传输中让关键数据包优先处理。这意味着关键数据不必等待所有的非关键数据完成传送后才开始，从而确保更确定、更快速的传输路径。本质上来说，TSN 建立了一套能使以

4、太网具有实时性和确定性的新标准。基于TSN提供的网络通信的高确定性和低时延之上，OPC UA则提供了一个独立于平台的面向服务的体系架构，它定义了统一的标准和信息模型，可以实现设备与设备、设备和企业，以及不同厂商设备之间的交互。TSN+OPC UA 组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。举例来说，在工厂数据采集、传输与生产运营中，都会需要对现场的机器状态、生产能耗、质量相关、生产相关参数进行采集，TSN+OPC UA 在整体上使得在工厂的各个环节的横向与纵向数据实现了透明交互，并且配置效率更高，程序与应用模块化更强。1

5、.3 适用范围 因为智能制造关于柔性出产提出了更高要求，以及跨渠道、跨职业的应用需求越来越多，大型实时工业通讯网络为运营者带来了严峻的应战。基于 TSN 的通信技术，可以适用于工厂的设备层、控制层以及企业层的层间以及层内设备的高精度通信，可应用于工业的多个场景。2 需求分析 未来工业领域将有数以百亿计的设备衔接上网，传统工业以太网无法接受巨大的数据传输量，需求一种新的架构来满意高带宽、高速率和海量衔接等方面诉求。柔性制造正得到越来越广泛的应用，它具有设备可复用性高、运行灵活及产品应变能力强的特点。一旦生产需求发生变化，需要快速调整生产系统的结构和控制系统，重置工艺流程与设备配置，以适配新的需求

6、。但是，工业现场网络的互联互通性，已经成为制约制造业发展的薄弱环节。通过 TSN+OPC UA 打通工业信息通信路径，加速制造行业数字化转型，提升工业现场网络的信息交互效率，实现有效信息提取和传递。自从可编程逻辑操控器（PLCs）面世以来，工业自动化流程得到了极大优化。OT（运营技能）与 IT（信息与通讯技能）之间的交融令人兴奋，将带来特别的体会。OPC UA 和 TSN 的结合，让工业领域得以完成实时信息交流和互操作。3 解决方案 3.1 方案介绍 基于 TSN 技术的工业传输解决方案主要包含以下创新点：1）基于 OPC-UA 的网络互联和传输控制机制 包括基于 OPC-UA 和 TSN 的

7、集成，完成对传输的控制和传输资源的配置。2）基于 TSN 技术的数据传输机制 在工业监测场景中保障工业应用的高确定性、周期性传输业务的需求；用于开展工业通信技术的高并发、可靠性、实时性等性能的测试和验证。3.2 系统架构 基于 TSN 技术的工业传输解决方案适用于图中场景的数据通信，尤其是智能机器之间以及智能机器和工厂控制系统之间的通信。基于 TSN 通信技术提供的高可靠、低时延的数据传输保障，可以减少数据传输线路的部署、适用于多种环境以及设备的场景。图图 1 1 基于基于 TSNTSN 技术的工业技术的工业传输传输解决方案总体架构解决方案总体架构 其中，基于 TSN 网络进行数据传输的工业设

8、备包含 PLC 以及各种输入输出设备。工业数据通过 TSN 网络传输时，需要集成TSN模块，并实现工业高层和TSN传输在工业设备侧的互通。3.3 网络体系功能设计 OPC UA 和 TSN 的融合是未来的主要方向，能够提升工业现场的信息交互效率。OPCUA 提供标准语义定义，统一互操作，统一信息模型定义，M2M/M2B 协同，以及面向服务架构设计 SoA 降低软件设计难度。TSN 通过良好的互通性，改变传统七国八制局面，提供高可靠性，多路径/冗余路径技术，提供低时延：s级别时延，ns 级抖动，甚至更低，管理简单，即插即用。图图 2 2 工业未来网络体系功能设计工业未来网络体系功能设计 3.4

9、本方案 TSN 特性 网关设备以及工业 TSN 网络设备共同构成了网络设备，主要支持的功能如下：1）低时延：时延微秒级别，抖动 ns 级别。2）高带宽：支持 1G 带宽，并支持向 10G/100Gbps TSN 演进；3）统一 SDN 管理，支持 Netconfi/YANG 和 OPC UA 模型的统一网络管理；4）高精度时钟，支持 802.1as 和 1588V2，支持 TSN Scheduling（8ns）5）实现 TSN+OPC UA+边缘计算平台功能，支持工业 4.0 的高精度实时软件容器环境。3.5 TSN 网络结构 OPC-UA 是目前应用较广泛的工厂内应用使能技术，定义了一套通用

10、的数据描述和语法表达方法（信息模型），每个系统都可以将各自的数据信息以 OPC 的格式进行组织，从而被其他系 统所获取和集成。在基于 TSN 技术的工业传输解决方案中，通过 OPC-UA 进行网络配置、完成信息的映射，TSN 技术保障不同工业业务的传输性能，满足不同场景的业务需求。图图3 3 OPCOPC-UAUA和和TSNTSN的集成的集成方案方案 4 成功案例 华为与伙伴共同打造 OPC UA+TSN 网络五大工业互联场景，进行相关工业方案的场景验证。与 AII 打造的“电机预测性维护网络（TSN for Predictive Maintenance）”与 美 国 国 家 仪 器 打 造

11、的“马 达 同 步（Motor Synchronization）”;与和利时打造的“赛车游戏（Race-Car Game）”；与 Linmot 打造的“绘图运动控制（Plotter Motion Control）”;与 施 耐 德 电 气 打 造 的“LED同 步（LED Synchronization）”；与贝加莱打造的“OPC UA Over TSN”；通过上述工业互联场景验证了 TSN 网络在复杂环境情况下的高确定性和低时延性，TSN+OPC UA 为工业互联网在信息提取和信息交互带来更多的数字化创新体验，是预测性维护、数据分析、机器学习和人工智能等新技术的关键推动因素。可以帮助工业企业提升效率，减少停机时间，提高互操作性和降低总体成本等。通过收集机床的各种数据，基于时间敏感网络在边缘侧进行预测分析并通过边云协同，在云端进行深度分析，同时支持高达 50 跳的不同厂家设备进行精确协同，支持标准以太网并通过多路径和冗余路径确保可靠性，在一跳上的延迟能达到小于10 微秒，抖动小于 0.1 微秒，并在边缘侧通过容器技术提供可视化 PLC（可编程逻辑控制器），且支持不同厂家的虚拟化 PLC运行。图图 4 TSN4 TSN 网络工业互联场景拓扑网络工业互联场景拓扑