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為工業(yè)通信選擇合適的以太網(wǎng)協(xié)議

2023-6-9新聞

圖片來源:CC-Link 協(xié)會(CLPA)

作者 | Thomas Burke


為通信選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,可以為供應(yīng)商、原始設(shè)備制造商(OEM)和系統(tǒng)集成商帶來優(yōu)勢。


在工業(yè)自動化領(lǐng)域,產(chǎn)品供應(yīng)商一直在尋求獲得競爭優(yōu)勢,而通信一直是一個差異化因素。從早期的現(xiàn)場總線大戰(zhàn),到目前各種基于以太網(wǎng)的協(xié)議,通信仍然處于差異化的前沿。


以太網(wǎng)的應(yīng)用越來越普遍,這是有充分理由的。信息技術(shù)(IT)領(lǐng)域的規(guī)模和實力,正在創(chuàng)造出經(jīng)濟高效、高性能的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品應(yīng)該應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。最終用戶的期望是產(chǎn)品應(yīng)該開箱即用,每個人都關(guān)心安全性和最重要的端到端數(shù)據(jù)可靠性。由于網(wǎng)絡(luò)安全問題無處不在,有許多硬件和軟件解決方案可供開發(fā)和復(fù)用,以實現(xiàn)工業(yè)電網(wǎng)的安全和保障。


01

按產(chǎn)品、應(yīng)用分類的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議


根據(jù)不同的應(yīng)用目的,設(shè)計了各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所使用的解決方案取決于所選擇的供應(yīng)商和所應(yīng)用的產(chǎn)品。通常情況下,一旦選擇了產(chǎn)品,對應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也就確定了。協(xié)議是用來完成工作的幕后技術(shù),很少有必要熟悉其內(nèi)部運作。一些協(xié)議被設(shè)計為高性能,另一些協(xié)議則專注于通信效率,還有一些協(xié)議則旨在用于客戶端/服務(wù)器或發(fā)布/訂閱架構(gòu)。


我們需要這些以太網(wǎng)通信協(xié)議來從不同的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。OPC UA(統(tǒng)一架構(gòu))也是一種促進數(shù)據(jù)建模和信息傳輸?shù)耐ㄐ艡C制,所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都能與OPC UA無縫協(xié)作。


02

什么是TSN技術(shù)?


由IEEE 802.3標準組管理的以太網(wǎng)正在持續(xù)改進。2017年,該組織發(fā)布了《IEEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標準——時間敏感應(yīng)用的定時和同步》。時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)允許在同一條物理線路上,共存多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和商業(yè)網(wǎng)絡(luò),不同的設(shè)備和應(yīng)用程序在其上進行通訊。這為運營(OT)網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)的融合打開了大門。它帶來的好處包括:


■ 通過讓所有設(shè)備共享一條線路來簡化架構(gòu)。


■ 由于簡化了網(wǎng)絡(luò)而降低了成本。


■ 通過從IT網(wǎng)絡(luò)提供設(shè)備的可訪問性,使管理更容易。


■ 通過對流量進行分類/優(yōu)先排序,提高了可靠性。


■ 通過暴露控制元素的數(shù)據(jù)來加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。


這些都是高度競爭和面向未來的智能工廠的基本特征。


源于視聽和汽車應(yīng)用的TSN技術(shù),也適用于工業(yè)應(yīng)用。工業(yè)市場需要一種方法來保證確定性、高性能和數(shù)據(jù)可靠性。同時,有必要在同一條物理線路上管理和共存多個商用現(xiàn)成以太網(wǎng)協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。


03

TSN是如何工作的?


TSN是一種基于標準的技術(shù),位于OSI模型的第2層(數(shù)據(jù)鏈路),以擴展當前以太網(wǎng)的功能。TSN由IEEE 802.1以太網(wǎng)子標準集描述,并專注于在一個網(wǎng)絡(luò)上提供多個數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流的確定性和收斂性。提供這種功能的兩個重要TSN子標準是IEEE 802.1 AS和IEEE 802.1 Qbv。


第一種方法確保網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都是同步的,為確定性打下基礎(chǔ)。一旦在網(wǎng)絡(luò)中建立了時間共享,IEEE 802.1 Qbv就定義了“時間感知整形器”。這些整形器定義了分配給不同類型網(wǎng)絡(luò)流量的特定“時隙”,并根據(jù)所攜帶的信息進行優(yōu)先級排序。因此,不同類型的數(shù)據(jù)流量都可以以可預(yù)測的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播,從而進一步支持確定性通信。這種方法支持多種業(yè)務(wù)類型的融合,具有將OT和IT領(lǐng)域結(jié)合起來的能力。


04

從終端用戶角度看TSN


工業(yè)自動化市場是一個由終端用戶組成的生態(tài)系統(tǒng),他們向機器制造商委托項目,而機器制造商則尋找能夠提供符合這些規(guī)范的產(chǎn)品和解決方案的供應(yīng)商。


包括原始設(shè)備制造商(OEM)和系統(tǒng)集成商在內(nèi)的終端用戶的一個關(guān)鍵優(yōu)勢,是提供更簡單的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和相應(yīng)的機器設(shè)計,使得不同應(yīng)用和設(shè)備能夠和平共存。OEM和系統(tǒng)集成商面臨的最大挑戰(zhàn),是如何配置和管理集成解決方案,然后將這些知識傳授給維護和使用機器的最終用戶。簡化的架構(gòu)和易于管理的設(shè)備是一個關(guān)鍵優(yōu)勢。


工業(yè)以太網(wǎng)組織都希望他們的協(xié)議易于工作、配置和維護。是否采用這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,取決于易用性和可靠性等性能,以及是否能夠?qū)崿F(xiàn)運動和安全等復(fù)雜活動。


05

工業(yè)通信的互操作性


供應(yīng)商希望生產(chǎn)出有效的產(chǎn)品。用戶希望購買適合的產(chǎn)品,了解多供應(yīng)商的互操作性概念,并使用來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品,而不依賴于運行的網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)。期望工業(yè)和商業(yè)運營的設(shè)備和應(yīng)用可以在同一條物理線路上無縫運行。這以一個基本的假設(shè)為前提:商業(yè)應(yīng)用不能影響工業(yè)OT應(yīng)用的控制。


OPC UA不是一種協(xié)議,而是一種基于現(xiàn)場級通信(FLC)的標準化工業(yè)互操作性解決方案,可以利用TSN技術(shù)來運行復(fù)雜的應(yīng)用。IT和OT之間的數(shù)據(jù)和信息集成是TSN技術(shù)的副產(chǎn)品。OPC基金會正在與工業(yè)以太網(wǎng)組織合作,以更好地利用TSN并與不同的應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)共存。


TSN支持的IT與OT融合加強了整個企業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸,允許最終用戶獲得更大的過程透明度。透明度是指能夠從工業(yè)應(yīng)用和設(shè)備中提取更多數(shù)據(jù),分析這些數(shù)據(jù),并將其轉(zhuǎn)化為有意義的信息,以更好地維護和優(yōu)化運營。其結(jié)果是可以充分利用信息并提供必要的洞察力,從而可以優(yōu)化性能、生產(chǎn)力和效率,進而提高產(chǎn)品質(zhì)量。這意味著帶寬很重要,但互操作性方面更重要。用戶可以放心,系統(tǒng)可以相互通信,工業(yè)控制也可以不間斷地持續(xù)運行。


關(guān)鍵概念: 

以太網(wǎng)協(xié)議多種多樣,設(shè)計目的各不相同。

■ TSN允許設(shè)備和應(yīng)用程序通過多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行通信。

■ TSN使IT和OT更容易融合。


思考一下: 

您的工廠使用哪種以太網(wǎng)協(xié)議?