从以太网到TSN，7大工业以太网、OPC UA的工业实时通信

显示全部楼层 · 2024-5-20 20:56:15

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大家好，我是小智，智能制造之家号主~

前面我们介绍了工业网络的层级(其实按照ISA-95的最新规划，应该还有level 5)：

工业通讯网络层级全解读，解析工业网络的自动化金字塔

也从技术上解读了Profinet、Ethercat、Modbus TCP等7大工业以太网：

技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网

随着生产的需求与技术的进步，实施工业以太网，工业无线等越来越受到大家的重视，占比也不断攀高，现场总线的份额不断走低：

2020工业网络市场份额报告：主流工业以太网、现场总线、工业无线份额对比

尽管如今的工业以太网主要有PROFINET、Ethernet/IP、Ethercat等几种，不再像现场总线时代那样动不动几十种，上百种，但是有没有哪一天，我们真的能够实现一网到底，同时实时性足够高呢？

实时通信与TSN

前面我们在介绍OPC UA TSN的时候：

为什么一定要了解OPC UA TSN——未来的工业通信标准

就谈到了TSN与实时通信~

在工厂自动化和驱动技术的背景下，实时意味着周期时间要安全、可靠地达到10毫秒以下，最低至微秒。为了满足这些实时要求，以太网还必须获得实时功能。

图1. 自动化中的实时通信。

时间敏感网络（TSN-time sensetive networking）就是为了满足工业实时通讯而生的一套协议标准。作为IEEE802.1工作组中的一套协议标准，定义了以太网数据传输的时间敏感机制，确保了以太网能为关键数据的传输提供稳定保障又一致的服务级别。

“TSN包含多个独立的标准，这些标准只属于OSI通信的第二层。”

以太网比现场总线快得多那又怎样？

为了满足自动化的实时要求，需要保证传输带宽和传输延迟。即使这些带宽通常非常小（每个器件几十个字节），该传输通道必须在每个I/O周期中可用，且达到延迟要求。

但是，经典以太网不提供延迟和带宽保证。相反，如果操作需要，以太网可以随时丢弃帧。这意味着什么？

以太网是所谓的桥接网络。帧（以太网帧）从一个点发到另一个点：从端点到交换机（网桥），从那里可能发到其他网桥，最后到达另一个端点。该架构在很大程度上具有自我配置能力。网桥在转发帧之前先完全接收帧。许多问题正是出在这里：

如果说以太网通常运行良好，这种说法在某种程度上是公允的。但是，这样做，我们使用的“通常”一词在硬实时语境下是无意义的。仅仅通常满足实时条件是不够的，必须始终满足该条件。

住在化工厂或炼油厂旁边的任何人都能理解这一点。工业通讯也不公平：最重要的是，控制/闭环控制应用始终具有优先权。

图2. ISO七层模型。

以PROFINET和EtherCAT为例的实时扩展

由于负责以太网标准化的IEEE并未就该问题提出解决方案，工业界开发了自己的解决方案—再次证明了其创造力。各种解决方案都有自己的优势和劣势，最终解决不同的市场问题。

图3. 协议概述。

PROFINET：普遍适用

通过PROFINET，可提供两种互补型解决方案。PROFINET RT是一种工厂自动化解决方案，周期时间最长为1 ms。RT直接以标准以太网为基础。以太网的可能性（例如，服务质量（QoS，优先级））被用于产生实时流量优先级。这有所帮助，但QoS并不能完全解决资源和延迟问题。这就是限制软实时的原因。与网络中使用的其他协议（例如HTTP、SNMP和TCP/IP）的良好兼容性是该技术的明显优势。

Figure 4. PROFINET IRT.

对于硬实时，PROFINET提供同步实时 (IRT) 扩展。在此，部分以太网带宽通过标准以太网硬件的扩展专门为IRT流量保留。这可以通过IRT节点中的时钟的精确同步来实现。因此，可以在每个周期阻止通道（红色阶段）中的正常流量。只有红色阶段中的IRT帧到达网络。此外，网络参与者准确地在预先计算的时间发送IRT帧，从而在红色阶段实现效率的最大化。IRT帧通过网络，几乎无周跳。这样做的一个优点是它可以红色阶段的长度限制在最低限度；在红色阶段，所有其他流量都必须等待。红色相位最多可以占用以太网通道带宽的50%。

如前所述，全长以太网帧（1552字节）在线路上大约耗时124μs。如果PROFINET IRT占用全部50%的带宽，最快的周期时间为2×124μs=248μs，舍入后为250μs。只有这样，其他协议（如HTTP）才能以不变的形式与其共存。

由于PROFINET 2.3可用于IRT的优化，包括快速转发、动态帧封装和分段，因此可以实现低至31.25μs的更快周期时间。

EtherCAT：以太网现场总线

在EtherCAT的开发过程中，开始时还有其他要求。EtherCAT是基于物理以太网（即第1层）的现场总线。甚至第2层也针对现场总线应用和高吞吐量应用进行了优化。EtherCAT没有经典的以太网桥，使用求和帧电报，使数据传输特别高效。EtherCAT每个周期发送一帧，与普通以太网不同；在后者中，设备间通信涉及的每台设备发送单独的帧。但是，此帧包含被寻址设备的所有数据。当EtherCAT帧由设备转发时，该特定设备的数据被实时插入到该帧中并从该帧中取出。通过这种方式，可以实现极短的周期时间，最小低于31.25μs。

EtherCAT还具有时间同步功能。为了将在PC上表现不太理想的以太网接口用作EtherCAT的主设备，人们付出了大量努力。

在EtherCAT下，以太网流量（如Web或TCP/IP流量）只能以背负方式分成小部分传输；不可能在线上直接共存。

其他如何？

不光是Profinet、Ethercat对TSN表示了支持，大家所熟悉的OPC UA, POWERLINK，CC-Link IE等均对TSN提供了支持~

大家可以看看下面：

1、EtherCAT组织发表了关于TSN技术的白皮书；

2、Beckhoff发布了其首款TSN桥接通讯模块EK1000；

3、NI发布了多款集成TSN技术的控制器，如：CompactDAQ、CompactRIO...等；

4、PI组织宣布将会在新的ProfiNet协议中使用TSN技术，并计划在2019年中发布该协议或相关产品；

5、SERCOS在SPSIPCDrive上展示了由TSN交换机桥接组成的Rexroth运动控制系统；

6、B&R在2017年SPS发布了TSN产品；

7、SIEMENS在2018年汉诺威展发布了Profinet over TSN的产品；

8、2019年三菱发布了CC-Link IE TSN产品；

9、华为、TTTech、CISCO、MOXA、赫斯曼等厂商也发布了TSN交换机产品；

10、在模块领域，国讯芯微即将发布的边缘智能全栈模块NOM-R002将会率先支持TSN。

下面我们以OPC UA为例来讲一讲

TSN时机快到

IEEE从音频/视频桥接 (AVB) 协议的角度研究了这个话题。在对协议进行改进时，还考虑了更具挑战性的工业实时通信。这些标准的原始名称AVB2由此改称TSN（指时间敏感型网络）。有了这些标准，现在可以使用统一的确定性以太网版本。

这实际上可以简化许多问题。例如，众所周知的工业网络几乎全部针对100Mbps。然而，千兆以太网和10 Mbps以太网如今已成为特殊应用的关注焦点。TSN标准涵盖所有速率。使用TSN，无需从头开始：如果不是TSN，所有现有标准都必须针对千兆速率进行重新定义—这将导致硬件开发成本和市场碎片化成本。

TSN有什么用？TSN实时

TSN扩展了以太网第2层，纳入了实时操作所需的一系列机制

鉴于现有资源，现在可以用特殊的方式组织TSN流，不再需要丢弃帧。现在，网桥将其资源用于TSN流的无损转发。

图5. 以太网帧（其中，与TSN数据流标识相关的部分以绿色表示）。

尽力服务流量（标准以太网、IP、Web）用剩余资源（内存/带宽）正常传输

第二层以上发生了什么？

每个互联网以太网协议背后都有一个组织，是它推动着各自协议的标准化和普及。这些组织中的每一个都制定了TSN战略。结果，我们看到，几乎所有现有协议都有TSN，只是表现形式各异而已。继续看我们的例子：

对于PROFINET，通向TSN的途径相对较短，因为人们目前已经积累了丰富的时间感知整形经验（已经非常接近IRT），并且始终都支持行业协议与IT协议的共存。对于用户而言，很多东西都未变，因此，熟悉的环境有利于提升绩效。

EtherCAT和类似的SERCOS将使TSN获得现场层次以上的运用能力。例如，EtherCAT自动化协议 (EAP) 非常适合通过TSN以较低的开销，连通经典EtherCAT网段。

但是，该领域也有新的参与者。

有一个团体正着手定义一个全新的工业以太网协议。有人将OPC UA用作应用层。TSN被视为使该协议具有实时能力的手段。但是，这里还有大量的工作要做。传输需要新的OPC UA传输层（即所谓的OPC UA PUB/SUB协议）。

图6. 硬实时 (IRT)、软实时 (RT) 和IT协议 (TCP/IP) 的延迟/抖动幅度。

越多越有用吗？在实时领域并非如此

今天，我们在工业自动化中使用的是100 Mbps以太网，千兆以太网很快就会上线。但是，更高的速度并不意味着延迟能得到保障，传输能得到保障。因此，对于硬实时，始终都需要特殊的机制。有了TSN，它们都已标准化。

本文来源：网络整理

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