Volker E. Goller discusses time-sensitive networking – He looks at why it is being developed and what advantages it will offer for industrial communications."> 自动化中的TSN - 必威betway西

自动化中的TSN

2019年10月20日

沃尔克·e·高勒讨论对时间敏感的网络——他着眼于为什么要开发它，以及它将为工业通信提供什么优势。

对于工业通信应用来说，保证延迟是至关重要的，这使得传统的以太网不适合。这一点，加上它在工业环境中的其他缺点，导致自动化专家多年来一直在开发自己的产品以太网扩展。然而，各国所采取的路径差异很大。

使用以太网作为现场总线的传输介质的协议要求自己完全控制以太网介质。经典的TCP/IP通信只能通过现场总线(EtherCAT和POWERLINK)或通过现场总线分配的通道(Sercos)以背负式方式进行。带宽控制牢牢掌握在现场总线手中。

还有一些协议通过以太网上的时间切片过程来保证带宽预留。这里应该提到PROFINET IRT。IRT可以在软实时或后台流量运行的同一根电缆上实现硬确定性实时数据传输。对于时间片的规划，需要一个精确的传输路径时序模型。

最后，还有基于以太网电缆共享的协议。这些协议使用服务质量(QoS)，在工厂和过程自动化应用中很常见。例如PROFINET RT和EtherNet/IP。这些协议被限制在软实时(周期时间= 1毫秒)的范围内。

对于这些标准，需要特殊的硬件支持，因此需要特殊的asic。由于PROFINET RT和EtherNet/IP也是基于具有直通功能的嵌入式2端口交换机，因此在这里也不能排除它们。灵活的基于硬件的多协议解决方案，如Analog Devices的fido5000，有助于以优雅的方式解决问题。

进入周围的
通过TSN，已经成功地开发了符合IEEE 802.1的标准以太网的扩展，突破了过去的限制。现在在ISO 7层模型中有一个标准化的第2层，可以向上兼容以前的以太网和硬实时功能。通过802.1AS-rev, TSN还定义了一种可互操作的统一方法，用于同步网络中的分布式时钟。由于尽力通信总是在TSN中进行，因此对于硬实时应用程序以及所有其他应用程序(web服务器、SSH等)，电缆的通用使用是可能的。在这方面，TSN与PROFINET IRT并没有什么不同，而且它也提供了类似的性能。

TSN的新特点是需要更广泛的网络配置。集中式或分散式配置是可能的。目前正在讨论和实现这两种类型的配置。两种配置机制之间的互操作性是未来的发展目标。

但是，TSN的实际优势是什么?最常见的答案是，随着市场的扩大，更便宜的网络接口也会出现在市场上。毕竟，TSN未来也会出现在楼宇自动化和汽车行业。事实上，嵌入式TSN解决方案的市场预计将大大超过目前所有工业以太网解决方案的市场总和。

与以前的工业以太网方法相比，TSN最大的技术优势是其可伸缩性。与目前的工业网络不同，TSN没有定义特定的传输速率。TSN可以用于100mbps，也可以用于1gbps、10mbps或5gbps。

它还可以更好地优化拓扑，因为现在可以为各个段选择适应的数据速率。无论是Gbps、100 Mbps还是10 Mbps，都使用统一的第二层——IEEE802.1/TS。

统一的网络基础设施还有助于负责建立和维护网络的人员，因为多亏了TSN，解决方案现在可以用于自动化以外的部门:建筑、流程和工厂自动化以及能源分配等。

这给我们带来了下一个优势，训练因素。TSN已经是许多大学的一个课题，大多数处于研究阶段。然而，技术和职业院校已经对这一话题表现出了兴趣。我们可以有把握地说，TSN将成为工程师、技术人员和熟练工人的基本知识。不再需要为不同的现场总线进行再培训。

在几乎所有与TSN相关的工作组中，都有一个反复出现的主题——如何保障向TSN的过渡以及对现有设施(如布朗菲尔德应用程序)的供应?

在所有方面，重点都放在使客户能够顺利过渡到TSN。今天已经可以说，现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失。相反，任何使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT或类似广泛应用的工业以太网协议的人都可以放心地认为，在10年后，他或她也将能够使用这些协议操作网络，并获得支持和更换部件。

所有工业以太网组织都提供了描述现有工厂如何与基于tsn的新设备合作的模型。现有工业网络的接口由网关(Sercos)、耦合器(EtherCAT)或没有任何特殊硬件(PROFINET RT)组成。特别是PROFINET和EtherNet/IP计划将其完整的协议作为第二层在TSN上可用。这使得逐步过渡到TSN成为可能。

总而言之，TSN在新装置中随处可见，也可以以岛屿或片段的形式逐步引入到现有装置中。然而，有了TSN，工业以太网领域将出现新的参与者。OPC UA，与新的传输协议PUB/SUB结合TSN，已经被视为经典协议的竞争对手。这意味着在未来，无论是经典的工业以太网解决方案，还是TSN和新的参与者，都需要得到支持。

TSN是一个机会
TSN使得为所有工业通信创建统一的基础成为可能。一旦引入TSN, ISO 7层模型中的第1层、第2层和第3层将在工业上实现统一。这将使可伸缩性和性能达到全新的水平成为可能。基于此，上层的通信也会标准化吗?会有统一的OPC UA PUB/SUB吗?可能。使用fido5000系列，用户可以应对各种场景。

Volker E. Goller是Analog Devices公司的系统应用工程师。


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