TSN 技术对于未来工业运营的影响分析

文:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 宋华振2020年第三期

任何的技术,如果没有其需求以及其应用场景所带来的商业价值,则没有被推动的实际意义,而阐明清楚这些问题,对于评估和推动这项技术是至关重要的。

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TSN因何产生?

在工业领域,技术标准通常来自于需求,创造需求这件事情对于工业领域就不像乔布斯当初设计苹果手机的时候那样:“用户并不知道自己想要什么”,工业中的技术都来自于需求,用于解决某个已有或潜在的问题,因此,TSN是来自于制造业现场大量数据互联的需求。

数据量大且复杂是一个需求:因为在IIoT的融合中,数据网络节点数、数据类型的需求千奇百怪,但是,如果无法用一个同一网络来协调的话,那么就会产生大量的中间转换的硬件和软件,这对于大量的网络连接来说,就会产生一些复杂的问题,就必然需要一个同一网络来传输异构数据的需求基准。

其次,技术的产生必然有一定的继承性,不能完全凭空开发出一项新技术,TSN实际上在其初始技术上包括了基于IEEE1588的时钟同步、IEEE802.1Q中的数据流调度,并结合原有的一些技术开发了加强的整形器、数据配置工具,这些都并非全然新的,只是之前音视频、汽车领域IEEE802.1Q工作组已有工作的扩展,而其底层如IEEE802.3、IEEE802.3cg(单绞以太网)都是已有的标准,图2是TSN的标准制定进程。

因此,TSN技术的产生背景在于大量数据,包括机器视觉、AR/VR、运动控制、传感器、音频等数据的需求连接下,是管理与控制融合的需求,是人工智能、数字孪生技术得以高效实现的基础技术支撑。

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图1 工业通信技术的发展历程

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图2 TSN技术发展历程

TSN 对工业现场运营的改变

今天,我们讨论各种工业互联网、智能制造的应用场景时,大部分人都会对这些技术产生极大的质疑,尤其是来自于工业现场的人士,觉得实际上就无法真正实现数据的有效传输,各种工业互联网平台现在干的都是“导表”的事情,包括有些IT人士总是问到底现场有多少种总线,不过,很多人还停留在CAN、Modbus等阶段的认识,凡此种种,经常给人的感觉是:“如果你们了解TSN,也许你们就知道问题该怎么办了”——因此,客观地说,现阶段的工业互联网应用仍然处于初级阶段,真正的连接并未被有效打通,这必须寄望于TSN和OPCUA的融合,因为,OPCUA解决了异构网络语义互操作的规范,但底层仍然需要一个同一的网络标准进行连接。图3即是一种制造现场的变化,从原来仅在垂直架构上的集中控制,以控制任务为核心,当然也包括了分布式控制架构——针对流程工业为主的DCS,但新的架构融合更多的计算任务。

(1)降低IT访问OT端的成本

若问这个世界上到底有多少种总线,可以说,这个世界上有多少个做控制器的,就有多少种总线,每个做过控制器的人都会根据自己的业务需求开发一个总线,因为原来那个以太网虽然标准,却不具有实时性,后来产生了实时以太网。笔者很多次与IT界、包括终端用户的朋友谈到这个话题时,他们都很茫然,说你们现场真的是太复杂了,太封闭了,而我说其实我们也不想啊!主要是你们提供的标准以太网不争气啊!

好吧,IT和OT的融合就是这样,当大家发现一种比较经济的道路时,OT一直擅长于从IT借调资源来实现自己的应用,不管是今天基于IntelX86架构的PLC的应用,还是以太网,以及控制器里集成的Web服务器。OT一直擅长借用IT技术,因为,IT应用群众基础大,摊薄了成本,因此,借IT发展的东风,转向新的技术是必然,这是从经济性角度考虑,让TSN这样的标准基于IEEE的以太网能够拥有实时性,这就解决了传统以太网的问题,因此,何乐而不为呢?

其实,TSN这一技术的发展很是利好ICT行业的人,因此,当发现很多ICT厂商居然不了解TSN,也没有积极推广之的时候,笔者表示很奇怪——为什么这么有利于你们进入OT端的标准,却不积极推动呢?这是我之前为什么对那些号称做工业互联网的人群表示质疑的一个重要原因,有些OT端的人还会担心这样会不会引狼入室呢?让IT访问了OT,抢了我们的生意咋办?其实,想多了,每个OT端的那些事情也不是IT想干就能干的,其实,要论机理模型的掌握、数据源、行业工艺等等,IT的兄弟们才懒得跟你拼,就自动化这个业务规模,还需要投入懂机械、电气、工艺、材料等跨学科所需的工程技术人才,这投资回报实在与他们的身份不符。

(2)边缘计算的推进

边缘计算也正在成为各家OICT厂商所关注的焦点,互联的初衷正在于通过全局的数据采集,来实现优化、策略与调度问题,记得刚开始老听IT的朋友讲“水平解耦”,一直不明白“解耦”是什么意思,还不好意思问,后来明白了,就是通过数据连接,将全局的问题集中,然后通过调度、优化、策略等算法,实现消除其中的“不必要项”,合并同类项,然后达到最优的效果,就像把机器连接起来就消除了其中的不必要的时间消耗一样,边缘计算是立足于全局的。

而这个全局优化,就必然会需要一个数据的全局采集,那么来自于工艺控制、管理决策相关、品质、不确定因素、扰动等因素都会被击中,而这些参数类型有大容量的视觉、AR/VR、音频等,也有运动控制的位置、速度、扭矩、温度等实时控制参数,这些数据对于带宽、周期的需求千差万别,那么如何在一个数据网络中实现有效、有序的调度,这就是TSN网络统一架构所要解决的问题。

集中式控制与分布式计算的融合,需要一个能够打通各个环节的数据通道,并通过OPCUA来实现语义互操作,但是,OPCUA如果基于标准以太网,又缺乏实时性,因此采用了TSN来解决此问题。

由此可见,OPCU Aover TSN是解决整个工业互联网的基础网络方案,这也是其能够得到广大厂商关注的原因。

(3)对数字化应用的推进

数字化的推进中,包括新的边缘计算、人工智能与机器学习、基于云计算等方案来实现各个层次、不同粒度的网络数据刷新问题。

数字孪生与传统建模仿真有一个较大的差异在于其实现“动态交互”,通过对数据的采集,包括不确定、非线性的任务中的变量采集,基于全局优化,可以采用机器学习对质量相关性进行分析,也可以对调度策略进行全局分析,但这些分析与优化的结果、算法与模型等,需要部署到现场控制器,并实时指导应用,对于个性化生产而言,这种动态交互需要“实时”的交互,由于数据量大、网络复杂,因此,对于网络本身的复杂性也提出了需求。由于在系统中计算环节需要消耗较多的时间,必须确保网络的高速响应,否则,就会整体周期较长,难以达到动态与实时效果,这也是TSN之所以用于满足这些需求的原因。

通过TSN网络,实现传感器、控制、运营在同一个网络架构中布建,才能确保整体的运营一致性。如果不采用同一网络架构,那么就会产生大量的网络设备与交换节点的出现,并且需要在各个网络之间开发转换程序,这些使得网络变得复杂、低效,降低了系统的鲁棒性,稳定性。

因此,数字化的推进必须依赖于一个大容量、异构数据的标准与规范网络。TSN技术用于改变传统网络复杂、封闭、连接的困难,而采用IEEE标准的统一网络标准,使得整个OICT融合中的效率得以提高,降低了在其中所消耗的不必要网络构建成本。

TSN构建的技术生态系统James FMoore在著名的《竞争的衰亡》(The death of competition)一书中描述了未来的企业之间将由“竞争”转向“竞合”,因此,商业生态系统则成为了关键,而对于工业界而言,商业生态系统必须以技术标准作为基础,需要一个合适的生态系统基础标准。

TSN是一个融合更为广泛的阵营而构建的网络通信标准,其融合了IT和OT两侧的厂商共同打造这一标准,IEC的会员采用企业制,参与的都是有着企业倾向性的标准与规范;而IEEE则不同,其会员为个人制,虽然来自不同企业,并且在通用的网络标准制定中,IEEE作为一个开放的,不受任何企业所主导的标准,具有更高的可信度,也更易于为各个产业界的企业所采用。

TSN不同于传统各家厂商所开发的标准,被隔离为不同的阵营,而今天,在工业互联、智能制造的发展背景下,必须是OICT各方融合的过程,不是OT端的企业内部划分阵营的合作,而是来自于IT、CT、OT多方企业建立的合作,这个生态系统所需的标准必须是一个纯然开放、不受制于任何厂商的,因此,TSN就有了这个基础。

在TSN技术的整个发展过程中,可以看到了IEEE组织所起到的关键作用,由最初的音视频桥接网络到IEEE802.1Q工作组的IEEE802.1AVB,延展到工业IEEE802.1TSN工作组将工业融入其中,再发展到IEEE60802针对工业的互操作,并与OP CUA基金会合作制定OPC UA over TSN的协同标准。

芯片提供方包括:

芯片厂商:Intel AL TERA、XILINX、NXP、AD、Belden、Renesas等厂商;

技术服务商:TTTech、Sprint、Broadcom、Kalicyto等厂商;

IT厂商:Huawei、Erricsson、Cisco、Nokia等都均加入了TSN技术的研发中;

自动化厂商:ABB、SIEMENS、Rockwell、B&R、Schneider、Mitsubshi、BoschRexroth、NI等;

汽车电子:Bosch、Samsung;

连接器厂商:Molex、TE、Harting。

这些都是生态系统的发展路径,从时间节点上来看,TSN工作组在2015年成立;2016年9月召开第一次Shaper整形器工作组,包括了ABB、贝加莱、GE、TTTech、Cisco等OICT厂商;2017年在NI的IIC TSN测试床架构;2018年在SPS展、2019年Hannover展上,包括B&R、SIEMENS、三菱等自动化厂商已经有产品展出,华为的ECC也推出了基于TSN的测试床来连接各家的产品构建系统。在IEEE802.1.org的官网上可以看到,目前参与整个TSN项目的开发人员包括了大量华为、爱立信、诺基亚、思科、西门子、ABB、贝加莱、施耐德等公司的专家代表,事实上,对照以往的技术推进速度,TSN的发展速度堪称“神速”。(本文载自:“东道西说”微信公众号)

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