5G画下智能制造未来愿景,TSN驱动工业智能发展
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说起“智造观”,以德国为代表的工业4.0战略旨在推进生产或服务模式由集中式控制向分散式增强型控制转变,帮助实现高度灵活的个性化和数字化生产或服务,自下而上推动升级。美国则主推工业互联网概念,旨在形成开放且全球化的工业网络,以自上而下的方式实现通信、控制和计算的集合,在智能制造产业体系中偏重于设计、服务环节,注重物联网、互联网、大数据等对生产设备管理与服务性能的改善。

全球知名咨询机构“罗兰贝格”在其《拥抱5G新世界》的产业报告中指出:5G通过强大的无线连接、边缘计算和网络切片技术,将助力无线自动化控制、工业云化机器人、预测性维护、柔性生产等行业突破,驱动工业4.0的真正落地,进一步推动未来工厂的诞生。然而,尽管在技术性能指标上5G可以承载工业网络不同的典型业务,但业界普遍认为5G工业应用仍然存在很多关键问题有待解决,包括:网络中断对于工厂设备和生产的影响是不可接受的,需要解决安全性和可靠性;传统生产设备的现场总线和数据采集设备兼容性存在很多问题,改造难度和成本高;针对工业应用场景的URLLC(超可靠、低时延通信) 0.5ms的上下行时延目标难以满足部分强时间敏感性工业应用的要求;等等。

之于我国,一方面,当前中国正处于经济增速换挡期、结构调整阵痛期、前期刺激政策消化期“三期交叠”的特殊阶段,制造业面临很大的内外部压力;另一方面,我国制造业在自动化、数字化、网络化、智能化等方面落后于德国、美国等工业发达国家,还处于“2.0补课、3.0普及、4.0示范”的多进程并行发展的复杂阶段。智能制造如何更好地落地,企业更快更健康地发展,成为每个企业不得不面对的话题。

如果说部署中的5G为工业智能画下未来的理想愿景,那么基于时间敏感网络改造大量应用于工业制造的以太网则已经就位,相关技术正在促成智能制造落地。ADI系统应用工程师Volker 在两年前曾撰文指出:“TSN势不可挡,而唯一有待确认的是什么时候到来以及以什么形式到来。”而今天,各种势头显示落地已经进入进行时。“通过与TSN特性相结合,ADI在工业网络边缘已经实现了最先进的现场设备通信解决方案。” ADI中国区工业自动化行业市场部经理于常涛在前不久的一次行业交流活动中透露,他提及的先进现场设备通信解决方案是该公司支持多种以太网协议交换的fido5000系列交换平台。

“无论是偏重生产制造‘硬’环节的工业4.0,还是偏重分析服务‘软’环节工业互联网战略,客户选择适合自己企业的智能制造战略更为重要。”在2019年1月7日的专访中,美国泛达公司工业网络基础设施副总裁Ryan Lepp对中国工控网如是说。

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无论是5G还是传统工业以太网改造都需要达到工厂间设备的苛刻性能要求。

(美国泛达公司工业网络基础设施副总裁Ryan Lepp)

从雷声大到雨声大,基于以太网的实时通信势在必行

充满挑战的工业互联网市场

时间敏感网络是指IEEE 802.1工作组中的 TSN 任务组开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。该技术在初期就引起业界的重视,特别是近两年来这个曾经陌生的专业词汇在各种专业媒体上频繁出现,成为工业4.0山雨欲来前的“雷声阵阵”。

美国泛达公司(Panduit Corp.以下简称“泛达”)1955年成立于美国伊利诺伊州,产品涉及光纤及铜缆网络通讯布线系统及管理、标识系统、走线管理系统等近万个品种的产品及解决方案。作为业界具有领导地位的网络及电气解决方案供应商,泛达通过简化、敏捷性和运营效率帮助客户优化物理层基础的解决方案,为客户提供连接、管理和自动化通信、计算、供电、控制和安防系统,以打造更智能、统一的商业基础。同时与各行业先锋结成合作联盟,为制造、教育、医疗、交通、能源及电信等行业提供高性能,高稳定性的基础设施解决方案。

而时间进入2019年,TSN在产业界则更多的听到落地的“雨声”:PROFINET最新规范V2.4版本发布,该规范最大亮点是实现了将TSN作为第二层的技术集成到PROFINET架构中的设定目标;新一代网络协议CC-Link IE TSN也差不多同期发布,在全球率先将千兆以太网带宽与TSN相结合,拓展了CC-Link IE基于工业以太网实现企业从信息层到应用层纵向整合的先进通信技术;而在2019年汉诺威工业博览会上,众多产品演示解决方案都昭示着TSN正在掀起工业互联网的浪潮……

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其中,Ryan Lepp负责的工业网络基础设施业务专注于生产自动化领域,可为企业提供连接各种系统、应用和设备的端对端产品和解决方案,从而实现完整的基础设施解决方案,将整个企业连成完全一体化的系统(包含工业制造的环境和状况监测的解决方案)。随着制造业向数字化加速迈进,工业网络基础设施业务成为泛达增长速度最快的业务。

于常涛的主题演讲:ADI助力加速迈向工业4.0

谈及工业互联网市场发展,Ryan Lepp表示,相比传统行业市场,工业互联网市场还很年轻,处于学习过程中。其中,工业以太网是增长速度最快的协议,但目前仍然存在数百万公里的ControlNet、ProfiBus等原有网络。泛达则重点提供基于Ethernet的工业以太网产品,包括商用级和工业级。

随着各种智能化改造工程的推进,各种传感器节点与PLC之间的传统通信协议让位于各种版本的超高速以太网协议,为工厂操作技术基础设施与企业信息技术基础设施采用基于TSN的以太网高度集成创造了条件。最近几年,几乎所有TSN相关的工作小组都在解决一项课题:确保转移至TSN以及为现有网络提供资源,这将是像各种在原有设施上翻建一样。

“显而易见的是,在今后一个时期,淘汰落后产品将会以更快的速度推动工业互联网的发展。”Ryan Lepp说,同时,随着视频采集、云平台、大数据的应用,工业互联网的带宽要求会越来越高,欧洲的车企奔驰、BMW已经将工业网络升级到10G网络以应对越来越高网络要求。基于这一现状,泛达公司从铜缆、光纤两个角度逐步升级产品,以应对客户越来越高的要求。

事实上,业界已经基于TSN成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本,成功地摆脱了过去的限制。TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同,TSN并不针对特定的传输速率进行定义,TSN可用于100 Mbps,也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。“为了支持这种扩展需求,ADI推出的fido5000以太网平台使系统能从任何一种以太网协议切换到另一种以太网协议,而无需重新设计硬件。”Roger表示。

构建适合自己的智能工厂基础架构

硬核支持TSN,以太网协议交换方案布局工业未来

“目前,很多公司面临着将其企业网络连接到工厂车间的挑战。这些对集成通信的需求要求仔细的规划和产品选择。”Ryan Lepp说,不正确的或不适当的规划可导致“网络散乱”(由于杂乱添加设备和连接导致网络体系结构失控),在出现故障时,限制了管理或诊断问题的能力。

作为高性能工业信号链相关技术的关键提供商,ADI多年前就敏感捕捉到自动化客户对高度可靠的同步网络技术的需求,例如支持汽车制造工厂多组机器人在恶劣嘈杂的条件下井然有序地协同作业的应用环境。为此,ADI在2016年果断收购确定性以太网半导体和软件解决方案的领先供应商Innovasic,大力扩充公司确定性以太网技术和专业知识,为高度同步的工业自动化网络及工业物联网提供强大的实时连接。而彼时,IEEE正在制定全新的时间敏感型网络标准。

为解决这一问题,泛达提出的IndustrialNet™ 智能工厂基础架构在工业自动化领域推荐“区域架构”。“它的好处在于区域布线形态自由度更高,简化设备增补,节省初期构建费用和时间,且方便后期设备维护。”Ryan Lepp介绍说。

随着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议,成为ADI支持TSN应用的最强硬核技术方案。

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该SoC芯片面向工业以太网应用的实时以太网多协议交换机,能支持当今所有主要工业协议,利用fido5000现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交换机灵活的架构能够适应协议未来的变化,并且支持未来的协议及其他发展,借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。“利用fido5000系列,用户能够为应对所有工业场景做好准备。” Roger指出。

(IndustrialNet™ 智能工厂基础架构)

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为了更好地实现IT与OT的融合,Ryan Lepp指出,在为制造现场网络通信提供支持上,物理基础设施设计应当遵循 IEC 11801或TIA-1005-A的标准。这两种标准都描述了客户在不同环境下应当采用的产品特性,以及为确保适宜的结构化布线而应当安排的架构。

fido5000交换机芯片解决主流以太网协议共存的关键问题。

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