基于TSN與邊緣智能的設備監測及管理解決方案
中國聯通研究院
網絡改造技術篇/前沿技術/工廠內網改造
1 概述
隨著我國智能制造和工業互聯網建設的推進，傳統以太網逐漸無法滿足工廠實時性的要求，同時工業現場中設備的控制反饋需求也在增加，而另一方面不同協議的互通對IT與OT的融合產生了諸多的障礙，企業客戶需要更為實時、可靠、安全的現場網絡架構和智能邊緣設備訪問方法。
在傳統以太網的網絡架構中，帶寬通常是由多個設備共享的，而且所有的發送端沒有基于時間的流量控制，所以發送端總是選擇盡最大可能發送數據幀的策略，這樣來自不同設備的數據流就會在時間上產生重疊，所有數據流重疊/沖突的部分會遵循QoS優先機制進行轉發，就會產生丟包的現象。基于TSN的網絡架構可以解決精準同步和流量調度的問題，從應用場景來看，需要實時監控或是實時反饋的工業領域都需要TSN網絡，如機器人工業、深海石油鉆井以及銀行業等等，TSN還可以用于支持大數據的服務器之間的數據傳輸。
本文提出的方案主要應用于工廠內網或園區區域網的部署，旨在提升網絡的智能與精準同步性能，可滿足低時延和高控制性能的網絡需求，并實現基于現場云/邊緣云的遠程的設備實時監測、控制與反饋。
1.1 背景
在冶金、稀土材料等工業行業，由于原材料的稀缺性，其原材料管理與原材料處理工藝對耗損及棒材良率要求更加嚴格，尤其在復合材料熱處理、注塑、表面處理、充磁時對環境以及加工設備的狀態有嚴謹的要求，目前這些環節很大程度依賴人工調節和現場監管。另一方面，隨著工廠信息化和智能化建設的加速，以太網部署已無法滿足目前對網絡高可靠、高控制性能的要求，源數據丟失甚至會引起工作人員的誤判，更加可靠、并且滿足實時反饋的網絡成為了智能制造的基礎需求。
1.2 實施目標
本文的方案將通過基于TSN技術的網絡結構支持工廠內多種傳感器的實時監測與機械臂或機器人的同步調度，同時可以支持生產應用中的其他普通流量，實現控制信號和數據信號的同網絡調度。另一方面，節點網關支持多廠商協議適配并提供深度協議解析。
通過提升工廠網絡的同步性能和流量調度能力，以及與邊緣云/現場云的對接可滿足客戶對園區范圍內從云端對設備的狀態監測與確定性時延的反饋控制。
1.3 適用范圍
本文提出的方案主要應用于工廠內網絡，園區范圍網絡，以及其他需要實時監控或實時反饋的廣域工業物聯網場景，例如：智能裝備制造、能源電力、石油與天然氣、軌道交通、車聯網等工業行業中從事同步精準控制、測量、設備監測、設備維護及控制應用的需求。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
本文提出的方案主要處在工廠內部網絡以及相類似的網絡（例如車聯網的車內部網絡等）中的物理層和鏈路層，并與邊緣云/現場云對接，實現網絡和邊緣計算的雙彈性配置，以實現從云端對設備的精準時延控制與狀態監測，處于圖1中的第1節，后續的應用擴展也可以覆蓋到第3、5、6、7節，滿足智能工廠內部的通信以及管理需求。
圖1 工業互聯網互聯示意圖
2 需求分析
本文的方案是江西某企業智慧工廠的網絡部分，其制造流程中主要包含的設備有真空爐，鑄錠磨粉機床，熱處理熔爐，機加工（含機械臂機器人）以及各類傳感器（濃度、溫度、熱敏、光敏等）。網絡部署需滿足工業傳感器的實時感知，以達到對設備和環境的監測，以及機械臂或機器人的確定性時延的同步調度。
3 解決方案
3.1 方案介紹
本文的方案主要針對于工業企業所面臨的分布式設備的狀態監控實時反饋等問題，利用時間敏感網絡（TSN）和邊緣計算能力對工廠網絡性能進行升級，克服了傳統以太網同步精度不高，不能滿足工廠精準控制場景需求等，同時結合邊緣智能設備將海量的設備信息和流程管理等信息進行協議深度解析和匯聚整合，為后續大數據和人工智能分析提供數據基礎，充分挖掘潛在數據價值，釋放潛能，幫助工業企業提升生產效率，提高產品質量，提供智慧參考決策。
3.2 系統架構
本方案提出的系統架構圖如下圖所示：
圖2 系統架構圖
主要包含以下要素：
1）邊緣節點—智能邊緣設備，可讓從幾乎任何傳感器和任何類型的資產收集傳感數據，主要負責數據采集，原始數據分析，管理觸發保存的報警和狀況評估，板載文件管理以及儀器健康狀況的自我監測。該設備支持TSN，設備間通過TSN技術實現設備的時鐘同步及流量管理，可大大提高時間同步的精準度。
2）系統軟件—服務器端：在服務器端完成監控設備的系統管理和通信，同時允許用戶指定監視設備的配置，提供在本地理解數據所需的可視化工具，整體管理數據量。
3）IT基礎架構—來自各個服務器的數據匯聚到企業應用程序中，以實現廣泛的知識挖掘。可將數據分享或部署到云端，與邊緣節點進行配合，邊緣處理數據，云端實現模型的優化與重建，實現邊緣與云的協同；基于匯聚數據進行大數據與人工智能分析，釋放數據價值。
3.3 網絡拓撲設計
圖3 網絡拓撲設計
? 設備感知層：主要包含工廠內所涉及的各種生產設備、傳感器、邏輯控制器件等。
? 智能邊緣設備：支持TSN技術，主要用于底層的數據采集，可以兼容當前的主流工業協議。
? 工業控制器：實現數據的存儲，分析等功能，具有一定的邊緣計算能力，主要是配合智能邊緣設備完成數據的采集分析功能。
? 交換機：完成底層數據的匯聚，同樣支持TSN技術，可以實現分布式設備間的時間精準同步。
? 交換機殼保護（堡壘機）：基于安全的考量，對交換機進行流量審計和殼保護，并在應用管理平臺中進行身份驗證和登陸日志管理。
? 企業管理系統：實現工廠生產經營管理，這部分可以直接對接云平臺，在云平臺上實現數據的積累和模型的優化。
3.4 功能設計
1）時間精準同步
所有的設備都支持TSN，通過TSN技術的引入，可以大大提升分布式設備的時間同步精度，提升機器設備間的生產控制協同，降低故障率，提高生產效率。
2）保證關鍵數據實時傳輸
TSN技術技術的引入，確保當網絡出現擁塞時，優先保證關鍵數據的按時傳輸，實現設備機器的實時精準控制，應對未來海量設備的接入。
3）邊緣與云協同
工業控制器具有一定的邊緣計算能力，可以實現一些數據的快速本地化處理，同時配合云平臺，依靠數據的積累，在云端對數據處理模型進行優化，實現邊緣與云的協同。
4）實現企業上云
云平臺將傳統的分布式工業設備和生產經營系統進行集中匯聚融合，并有效地整合和管理這些廣泛不熟的工業互聯網節點，實現企業向云端的遷移，通過大數據的匯聚處理，幫助企業提升效率，做出最優決策。
3.5 安全及可靠性
1）硬件設備的堅固性，能適應惡略測試環境。-40到70°C的工作溫度，50 g抗沖擊、5 g抗振動工作
2）星型總線拓撲結構故障診斷和隔離容易。中央節點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。
3）基于TSN的同步方式減少額外冗余的連線，同步精度不受線纜長度影響。
4）利用白名單技術使用交換機殼保護，對工廠關鍵區域進行流量審計和監測。
4 成功案例
本文的網絡方案可滿足智聯工廠、設備管理、現場實時排程等場景中企業客戶需要更為實時、可靠、安全的現場網絡架構和智能邊緣設備訪問需求，可為企業工業現場網絡提供精準同步、流量調度方案，并可對設備進行狀態監測，管理等。