工業(yè)發(fā)展里程碑

通過增加服務(wù)質(zhì)量機制，成熟的以太網(wǎng)通信標準得到進一步優(yōu)化。得益于新的IEEE標準，以太網(wǎng)將能在預(yù)定義的長時限內(nèi)，可靠地進行多協(xié)議（包括實時協(xié)議）并行傳輸。工業(yè)用戶和汽車制造商已經(jīng)準備好使用新標準。

機械臂動作整齊劃一，分毫不差，靈活自如地擺動著機械爪。兩個工業(yè)機器人跳著優(yōu)雅的機械芭蕾，讓人覺察不到哪怕一絲遲延。這樣的協(xié)調(diào)，歸功于一項正在揭開工業(yè)通信新的技術(shù)：時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。

過去40年，在通過電纜傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)方面，以太網(wǎng)已是*的。西門子從一開始就積極投身這個領(lǐng)域，并推出了市場上*工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)：SINEC H1。自此之后，以太網(wǎng)不單用于辦公室，尤其還用于工業(yè)制造環(huán)境。然而，以太網(wǎng)標準從誕生之初就存在一個問題——它不能保證發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)包能在一定時間內(nèi)送達接收方。對于工業(yè)控制器，這樣的情況是不能容忍的。要知道，機器的可靠運行，依賴于傳感器測量數(shù)據(jù)和控制信號在短時間內(nèi)送達目的地。它們需要時延低至毫秒級的實時通信——這項任務(wù)超出了以太網(wǎng)的設(shè)計初衷。

一個重要發(fā)展：未來，一切都將建立在支持TSN的以太網(wǎng)之上，可以按要求實現(xiàn)并行操作。

正因如此，想要在以太網(wǎng)上進行實時通信的用戶必須部署擴展性技術(shù)，如應(yīng)用廣泛的Profinet標準。舉例來講，在機器中，這個標準通過向以太網(wǎng)添加實時數(shù)據(jù)傳輸能力，將傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動器等連接至*控制器，從而實現(xiàn)包括控制伺服驅(qū)動器的應(yīng)用。西門子Simatic控制器業(yè)務(wù)部門的系統(tǒng)管理負責人Matthias Gärtner解釋道，“然而，要做到這一點，通常需要在連接設(shè)備內(nèi)加裝特殊硬件組件。不僅如此，各種實時工業(yè)以太網(wǎng)解決方案不能在同一個以太網(wǎng)上并行運行。”

很快，這個問題將成為歷史，因為負責為各種系統(tǒng)制定標準的電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）已通過添加實時通信機制擴展了以太網(wǎng)，從而滿足這一迫切需求。這些機制包括時間控制傳輸、同步和帶寬預(yù)留等。通過這種方式，IEEE借助TSN提高了服務(wù)質(zhì)量。這樣一來，以太網(wǎng)將能夠向連接的所有支持這些擴展標準的設(shè)備提供相同的時間信息。終，整個網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)同步。除此之外，預(yù)留協(xié)議可確保按照預(yù)定義的時間表，通過所有中間交換機將數(shù)據(jù)包從發(fā)送方傳送至目的地。TSN標準還將有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的拓撲納入考慮，即，網(wǎng)絡(luò)部署是星型、環(huán)型，還是線型，以及發(fā)送方與接收方之間的交換機的數(shù)量。此外，TSN標準還包含無縫冗余流程。

引起工業(yè)界普遍關(guān)注：除在機器內(nèi)部進行實時通信之外，現(xiàn)在還可以在機器之間實現(xiàn)實時通信，從而提高整個工廠系統(tǒng)的吞吐量。

單個網(wǎng)絡(luò)傳輸所有數(shù)據(jù)

Gärtner指出，“對于以太網(wǎng)而言，這是一個歷史性時刻。未來，將有可能使用面向Profinet及其他基于TSN的實時工業(yè)通信協(xié)議的標準硬件組件。這將實現(xiàn)在一個網(wǎng)絡(luò)上同時傳輸所有數(shù)據(jù)，包括實時信息。”用戶將自然而然地獲益于標準以太網(wǎng)帶寬穩(wěn)步提高，隨著自動化系統(tǒng)的IP連接與日俱增，帶寬需求將不斷增長。此外，TSN交換機堅決將交換資源預(yù)留用于所請求的實時通信需求，確保不再因緩沖器溢出而導致數(shù)據(jù)丟失，因此，通信將更加穩(wěn)健。

除對通過Profinet實現(xiàn)機器內(nèi)部實時通信的需求日益增長之外，對不同機器之間的確定性（即預(yù)定的）數(shù)據(jù)交換的需求也越來越大。譬如，同時對一個工件執(zhí)行操作的協(xié)作機器人，它們必須協(xié)調(diào)彼此的動作?，F(xiàn)在，具備PubSub（發(fā)布/訂閱）擴展的OPC UA標準已在這個領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。它也可以采用TSN以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)。Gärtner表示，“預(yù)計，TSN以太網(wǎng)將被引入整個工業(yè)制造流程。不僅如此，譬如，汽車制造商也希望使用這種新標準來發(fā)送倒車后視攝像頭生成的大量數(shù)據(jù)，或者實現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛的實現(xiàn)，離不開包含服務(wù)質(zhì)量機制的車載網(wǎng)絡(luò)。”現(xiàn)在，時機已經(jīng)成熟。*TSN組件現(xiàn)已投放市場，在2018年德國漢諾威工業(yè)博覽會上，西門子將使用實際的TSN產(chǎn)品來演示基于OPC UA PubSub的確定性機器間通信。這些產(chǎn)品將于今年年底開始銷售，屆時，TSN以太網(wǎng)將終來到數(shù)字化和“工業(yè)4.0”的現(xiàn)代化世界。

Christian Buck