关注我们:新浪微博腾讯微博QQ空间
首页 > 技术 > 世界方案

探索面向工业自动化的新型实时通信技术

——基于云服务的自动化:华为与倍福携手推进相关技术研究

文: | 2019年第四期 (0) | (0)

作者:倍福资深控制系统架构师兼国际大客户管理高级经理GuidoBeckmann博士和倍福控制系统和通信架构高级经理ThomasRettig

微信截图_20190814155243.png

安全、符合标准的数据和信息交换—不仅是在设备内和设备间、机器内和机器间以及服务内和服务间,还是在生产线内,亦或是生产设备间—都是目前工业4.0和物联网方案所面临的核心挑战。而基于PC的控制技术采用的是开放式体系架构,因此是应对这一挑战的理想选择。作为一家技术驱动型公司,倍福一直在不断地探索能够进一步推动工业自动化技术发展的新途径,因此,公司目前正与华为—全球领先的信息与通信解决方案供应商—在交换机技术、路由器技术和5G移动通信技术领域展开全面合作。

微信截图_20190814155307.png

图1:基于云计算的自动化中的通信要求

倍福在开放式控制技术实施方面一直发挥着先锋模范作用,因此用户可以从基于PC的控制系统并连带有第三方系统的互操作技术中获益。已获得国际认可的倍福EtherCAT通信标准确保了来自不同供应商的兼容设备在现场层的集成性和互操作性。OPCUA数据交互标准为互操作性提供了进一步的支持,实现了在机器间交互和垂直业务过程中独立于供应商和平台的通信。

工业自动化涉及到将设备和生产数据从I/O层移动到云端(参见图1)。能够跨越这些层并干预这些层的统一、高确定性及低延迟的通信系统是实现高级生产控制任务的关键,而这也是倍福正在评估下一代LAN、WAN和移动通信技术的原因所在。

此次与华为合作的重点是交换和路由方式以及5G移动通信技术,目标是通过简单的配置预留带宽,以确保低延迟和低抖动。而目前正在探索的技术纯粹是为了在异构网络上实现实时数据路由功能。EtherCAT通信协议本身保持不变,允许无缝集成现有的EtherCAT网段以及继续使用各种可用的EtherCAT设备。

EtherCAT的运行方式使得它特别适合被集成在异构网络中:通常,仅使用一个以太网帧即可访问EtherCAT网段上的所有节点。这一个帧只需要在远程EtherCAT控制器和EtherCAT设备所在的网段之间进行路由,而不是以其它技术所需的方式向该网段上的每个节点发送一个单独的帧。

微信截图_20190814155322.png

图2:交换和路由技术

迄今为止,作为合作的一部分,双方已经审查了三种新的通信技术:

–X-Ethernet:IEEE802.3以太网标准规定了如何在物理层和MAC控制器之间编码符号。正是在这一编码层,数据流在X-Ethernet交换机之间(即ISO/OSI模型的第“1.5”层)传输

–确定性IP:通过在基于IP的网络(第3层)上预留带宽,可以实现小于50μs的确定性延迟

–5G无线技术:5G移动通信技术不仅可以提高数据吞吐量,还可以降低延迟(在1ms范围内),实现更可靠的数据传输。路由一般在IP层进行,但在第二层的短点之间也会有路由方法

图2显示的是这几项技术的评估结果,以及它们如何映射到ISO/OSI模型中。时间敏感网络(TSN)技术在这里也适用。EtherCAT技术协会(缩写为ETG)在白皮书中描述了EtherCAT在TSN网络中的使用方法,同时,ETG也设定了相关规范。

技术研究:及早识别和评估创新潜力

–技术评估:对于倍福来说,重要的是要尽早探索信息和通信技术(ICT)领域的创新技术和产品能否以及在多大程度上提供可以在整个通信链中实现改进的潜力(从云端到I/O层),从而为客户谋福利

–华为希望能与自动化领域的领军人物合作,因此他们邀请倍福参与各项技术研究工作

–EtherCAT是一款功能非常强大的工业以太网通信系统,非常适合与华为面向5G承载创新技术X-Ethernet和确定性IP解决方案以及TSN等异构网络技术配对

–X-Ethernet传输长度固定的位块而不是帧,因此用它进行网络配置要比使用TSN进行网络配置容易得多

–与TSN相比,确定性IP具有实时路由网络的优点,能够支持生产大厅、制造单元和子网之间的高效通信

–评估5G无线技术,首要目标是帮助华为这样一家全球领先的ICT芯片和端点设备制造商洞悉工业级无线通信会涉及到哪些要求,其次是让倍福能够更加深入地了解未来5G技术的性能潜力

微信截图_20190814155333.png

图3:X-Ethernet演示设置

X-Ethernet:1.5层交换技术

X-Ethernet与长度固定的位块协作,这些位块在物理编码子层(PCS)上从一个端口传输到另一个端口。根据IEEE802.3标准在PCS上将这些块编码(例如8B/10B或64B/66B)分为一个一个小的块。由于位块的长度是固定的,因此时间抖动非常低(<100ns)。此外,时间抖动不受可变帧长度的影响,通常使用二层交换。在X-Ethernet交换机中,管道以数据流所需的数据传输速率配置,无需在查找MAC/IP数据表的基础上进行存储转发或做出决策;输出缓冲区不会发生拥塞。

我们不妨举例说明一下这个原理:上面图3中的设置显示的是一个100Mbit/s管道从EtherCAT主站运行,经过两个X-Ethernet交换机,直到EtherCAT网段。两个X-Ethernet交换机之间提供了一个1Gbit/s的链路。这样就能够通过交换机建立一个图像处理需要使用的视频流管道,它与EtherCAT数据流量平行。剩余的900Mbit/s带宽仍然可用—或者可能只有600Mbit/s,余下的300Mbit/s用于其它实时或异步、非优先级流量。未预留的1Gbit/s链路的带宽可以用于异步流量;即使距离很长,异步帧也不会破坏实时通信。

在本示例中,X-Ethernet交换机被配置为提供一个虚拟100Mbit/sEtherCAT管道。研究发现,通过这种简单的设置,无需通过主机进一步进行修改,就可以通过网络传输标准的EtherCAT报文,然后在标准的EtherCAT网段上处理这些报文。PLC应用的循环时间达到50μs。X-Ethernet交换机的时间抖动极低,只有不到20ns,延迟时间不到3μs,因此无需进行进一步修改,即可使用EtherCAT网段上的分布式时钟实现时间同步:X-Ethernet网络前后的两个切换输出的时间抖动和同时性都是<<100ns,X-Ethernet网络在性能表现上就像一根长电缆。

华为近日提出并标准化的5G承载技术X-Ethernet是一项可以用于涉及到在跨异构网络中并行运行标准通信和多实时通信的应用场合的可靠技术。数据流(即管道)易于配置,并具有出色的实时性能。远程控制系统可以通过网络与一个或多个EtherCAT网段(即设备单元)实时交换数据,同样也可以在高动态驱动应用条件下实现闭环控制。

微信截图_20190814155344.png

图4:确定性IP,保证对端到端时延的限制

确定性IP(DIP):三层路由

当设备模块或单元通过路由器互连时,二层(或更低层)交换就不再能够在逻辑上将流量划分成多个子网。但是应用程序与控制器的连接取决于实时性能,例如连接一台用于在线分析设备数据的边缘控制器,或者一台位于服务器室内的设备控制器,远离其控制的设备。

在边缘服务器中进行运算,以便根据通过设备监测获取的实际过程值确定性响应时间来创建一个“数字双胞胎”设备模型。必须以循环速度将设备或系统的实际值发送给边缘服务器,并与设备模型中的期望值进行比较。然后必须以低时延将输出矢量发送给设备,便于对其设置进行微调。

确定性IP就是最佳解决方案。DIP作为已被ETSI(欧洲电信标准化协会)认可的规范,它可以在基于IP的网络中的第三层上提供实时服务。在一个定义的IP选项字段报头中,所连接的端点可以要求DIP路由器预留它们所需的带宽。路由器会相应地提供有保证的端到端带宽和时延。这些路由器能够以小于50μs的时延来移动数据。每个路由器都能确保在最短的时间内确定流量分配优先级。

也可以根据需要断开系统和设备连接,然后重新连接,以建立生产灵活性。当网络连接恢复时,它们可以再次发出请求,并配置它们所需的带宽。

微信截图_20190814155353.png

图5:倍福的EK1000耦合器用作EtherCAT开放模式耦合器

EtherCAT协议也适用于IP层,因为根据EtherCAT规范,每台EtherCAT设备都可以处理嵌入在UDP/IP数据包中的EtherCAT报文。这在EtherCAT规范中被称为开放模式(OpenMode),只有第一台与EtherCAT网段中的DIP路由器连接的设备才能够评估IP协议。

例如,倍福的EtherCATTSN耦合器EK1000可用于实现此目的(见图5),它既支持IP寻址,也支持MAC寻址。耦合器有两个以太网口,其中一个口用于连接耦合器和以太网网络。EK1000以最小的时延将帧从以太网口传输到EtherCAT口。EtherCAT网段上的所有其它设备都是标准的EtherCAT设备。

在测试设置中,服务器PLC通过EK1000耦合器经由DIP网络连接EtherCAT网段,以运行循环时间为2ms并具有直流同步的运动应用程序。通过EtherCAT主站嵌入在UDP/IP包中的EtherCAT报文被发送给DIP网络并通过EK1000接收,EK1000将报文直接传输给EtherCAT网段。要完成此项任务,只需要扩展EK1000中的IP堆栈和EtherCAT主站来实施DIP选项字段报头即可,这样就能够从路由器请求必要的带宽。

对频繁过程重构有很大依赖的柔性生产需要配置起来同样灵活的通信网络。有了确定性IP,可以保证设备所需的低时延和确定性的流量(即使是在第三层)。如果需要路由子网,则同样适用—例如,由于IT要求,或在工厂的生产单元或生产大厅之间使用WAN链路。

微信截图_20190814155417.png

5G无线技术:下一代移动通信技术第五代

(5G)无线系统经常被认为是与工业4.0和物联网(IoT)相关的移动通信的关键技术。而事实上,5G也确实具有引人瞩目的功能:除了带宽非常大之外,5G还能够以超低时延在站点之间进行消息传递,确保数据传输的高可靠性—即使在一个较小区域内用户密度很高。这些功能在现如今的有线网络中已被视为理所当然的存在,而这也使得这项新的无线技术成为自动化行业中一个有趣的命题。

下一代5G移动通信网络与当前技术的主要区别在于:5G主要聚焦于机器型通信和物联网,其能力远远超出了移动宽带和更高的数据传输速率。国际电信联盟(ITU)负责确定下一代移动通信的性能目标。图6中总结的关键功能包括:–增强型移动宽带(eMBB)–峰值数据率:20Gbit/s(10Gbit/s上行链路)–标准数据率:100Mbit/s(50Mbit/s)–超高可靠超低时延通信(URLLC):–数据包传输时延小于1毫秒–最低可靠性要求1x10-5–大规模物联网(mMTC):–最小连接密度:每平方公里可连接设备数量为100万台

所有这些功能很难同时提供,因为从技术角度来看,这些功能是互不相干的。例如,状态监测中使用的传感器将会被设计的尽可能减少功耗,以最大程度地延长电池寿命(mMTC),而移动机器人强调的是通过一台控制器以极快的循环速度(URLLC)可靠地交换新的实际值和目标值。但是,被称为“网络切片”的新概念让5G可以在网络中并行组合这些功能,这样就可以在共享的物理基础设施上同时运行多个逻辑网络或虚拟网络。

因此,5G技术似乎适合部署在整合了运输车辆、所连接的物流系统和生产线的并行控制的柔性生产运作中。

在2018年汉诺威工业博览会上,倍福与华为WirelessX实验室联合展示了5G测试解决方案的演示套件。两台控制器通过5G链路连接。其中一台控制器用来控制倍福的XTS磁悬浮输送系统,它被用作用户可以手动操控的无源驱动系统;XTS动子的实际位置作为参考值发送给第二台控制器。第二台控制器与第一台控制器同步,复制操纵器的手动运动。控制器的NC循环时间为2ms,5G交换机之间的时延为1.1ms(URLLC)。控制器运行EtherCATAutomationProtocol(EAP)协议,使用二层以太网帧(无线交换)。与实时流类似,第二台控制器将IP视频流式传输给第一台控制器,以监测复制的运动(eMBB)。

3GPP工作组日前正在制定5G移动通信标准,并会在即将于2019年底完成的第16版中对这些功能进行标准化,然后由制造商在其芯片和设备接口设计中实施。

为确保电信部门正确理解并满足工厂自动化的特定需求和要求,并确保垂直行业了解和充分利用5G功能,相关各方需要通力合作,密切配合。近日,来自运营技术(OT)和信息通信技术(ICT)领域中的机构联合起来,组成了5G产业自动化联盟(5G-ACIA),该联盟旨在增进成员间的相互了解,围绕5G对相关技术、监管和经济方面进行评估,推动5G在工业生产领域的落地。倍福是该联盟的创始成员之一。

微信截图_20190814155432.png

图6:智慧工厂内外的通信要求

成功合作

倍福一直在评估涵盖了从I/O级到基于云的控制的自动化通信要求的新兴技术的潜力。倍福与华为合作,共同探索如何将成熟的EtherCAT技术整合到异构网络结构中—在交换机层的以太网子网中,以及子网和路由层之间。展望未来,5G很可能成为实现机械或其它高级应用中涉及到的边缘控制、设备间通信以及状态监测的切实可行的无线技术。华为和倍福在这两个基本互补的领域都拥有扎实的专业知识和丰富的实践经验,可以创造让各自市场细分受益的协同效应。在这些协作举措中,重要的是,要评估IT技术为工业自动化带来的具体好处。最终,时间会告诉我们,哪些技术实际上已被推广到客户群中。


发表评论

网友评论仅供其表达个人看法,并不表明控制与传动周刊同意其观点或证实其描述

杂志订阅

填写邮件地址,订阅精彩资讯:

杂志目录

更多往期杂志

关注我们:

新浪微博腾讯微博QQ空间

友情链接:

纸质杂志

给我们写信