基于TSN技術的工業網絡解決方案
華為技術有限公司
網絡改造技術篇/前沿技術/工廠內網改造
1 概述
1.1 背景
眾所周知，以太網已經成為家庭、企業及數據中心網絡連接和互通的最廣泛的通信協議標準。然而因為其確定性、實時性、可靠性等因素，傳統以太網并不適用于工業數據通訊。例如以太網存在的CSMA/CD機制，當網絡出現沖突時需不斷重發數據，這對于網絡實時性帶來挑戰；另外，因工業現場面臨惡劣的工況、嚴重的線間干擾等，也導致以太網可靠性大打折扣。
而工業以太網，相較于傳統以太網、現場總線等在實時性、傳輸速率等方面都有明顯的改觀，并已經占據了以太網市場的半壁江山。
不過，這些專有的工業以太網協議仍然面臨瓶頸，雖然它們在滿足機器運動控制等方面已經綽綽有余。因為當云計算、大數據技術逐漸滲透到工業領域，工業數據通訊并不再僅限于機器到傳感層，也不僅限于機器到機器之間，而是擴展到了與人、云和應用等更豐富的連接，有更多類型和更多海量的數據需要傳輸和處理，而對于數據處理的鏈條也變得更長，包括在邊緣側，包括云端，包括與企業生產系統和管理系統的逐步打通。因此，如何應對通過更高帶寬進行海量數據的聯接和傳輸，如何做到更精準的確定性控制和更低時延，仍是工業制造面臨的巨大挑戰。
1.2 實施目標
TSN+OPC UA組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設備廠商的通信網絡，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善。
TSN技術和OPC-UA相結合，可以滿足工業應用的各種傳輸需求。通過該解決方案可以支持工業設備的聯網接入，實現設備之間的互聯互通。進一步的，使得生產制造系統具有高度靈活性，工廠車間網絡架構可以快速調整優化，有效提升網絡化協同制造與管理水平。
TSN（時間敏感網絡）+ OPC UA（OPC統一架構）成為從傳感器到云端建立全面通訊基礎結構的最佳拍檔。
TSN的工作原理是在傳輸中讓關鍵數據包優先處理。這意味著關鍵數據不必等待所有的非關鍵數據完成傳送后才開始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質上來說，TSN建立了一套能使以太網具有實時性和確定性的新標準。
基于TSN提供的網絡通信的高確定性和低時延之上，OPC UA則提供了一個獨立于平臺的面向服務的體系架構，它定義了統一的標準和信息模型，可以實現設備與設備、設備和企業，以及不同廠商設備之間的交互。
TSN+OPC UA組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設備廠商的通信網絡，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善。
舉例來說，在工廠數據采集、傳輸與生產運營中，都會需要對現場的機器狀態、生產能耗、質量相關、生產相關參數進行采集，TSN+OPC UA在整體上使得在工廠的各個環節的橫向與縱向數據實現了透明交互，并且配置效率更高，程序與應用模塊化更強。
1.3 適用范圍
因為智能制造關于柔性出產提出了更高要求，以及跨渠道、跨職業的應用需求越來越多，大型實時工業通訊網絡為運營者帶來了嚴峻的應戰。
基于TSN的通信技術，可以適用于工廠的設備層、控制層以及企業層的層間以及層內設備的高精度通信，可應用于工業的多個場景。
2 需求分析
未來工業領域將有數以百億計的設備銜接上網，傳統工業以太網無法接受巨大的數據傳輸量，需求一種新的架構來滿意高帶寬、高速率和海量銜接等方面訴求。柔性制造正得到越來越廣泛的應用，它具有設備可復用性高、運行靈活及產品應變能力強的特點。一旦生產需求發生變化，需要快速調整生產系統的結構和控制系統，重置工藝流程與設備配置，以適配新的需求。
但是，工業現場網絡的互聯互通性，已經成為制約制造業發展的薄弱環節。通過 TSN + OPC UA 打通工業信息通信路徑，加速制造行業數字化轉型，提升工業現場網絡的信息交互效率，實現有效信息提取和傳遞。
自從可編程邏輯操控器（PLCs）面世以來，工業自動化流程得到了極大優化。OT（運營技能）與IT（信息與通訊技能）之間的交融令人興奮，將帶來特別的體會。OPC UA和TSN的結合，讓工業領域得以完成實時信息交流和互操作。
3 解決方案
3.1 方案介紹
基于TSN技術的工業傳輸解決方案主要包含以下創新點：
1）基于OPC-UA的網絡互聯和傳輸控制機制
? 包括基于OPC-UA和TSN的集成，完成對傳輸的控制和傳輸資源的配置。
2）基于TSN技術的數據傳輸機制
? 在工業監測場景中保障工業應用的高確定性、周期性傳輸業務的需求；
? 用于開展工業通信技術的高并發、可靠性、實時性等性能的測試和驗證。
3.2 系統架構
基于TSN技術的工業傳輸解決方案適用于圖中場景的數據通信，尤其是智能機器之間以及智能機器和工廠控制系統之間的通信。基于TSN通信技術提供的高可靠、低時延的數據傳輸保障，可以減少數據傳輸線路的部署、適用于多種環境以及設備的場景。
圖1 基于TSN技術的工業傳輸解決方案總體架構
其中，基于TSN網絡進行數據傳輸的工業設備包含PLC以及各種輸入輸出設備。工業數據通過TSN網絡傳輸時，需要集成TSN模塊，并實現工業高層和TSN傳輸在工業設備側的互通。
3.3 網絡體系功能設計
OPC UA和TSN的融合是未來的主要方向，能夠提升工業現場的信息交互效率。OPCUA提供標準語義定義，統一互操作，統一信息模型定義，M2M/M2B協同，以及面向服務架構設計SoA降低軟件設計難度。TSN通過良好的互通性，改變傳統七國八制局面，提供高可靠性，多路徑/冗余路徑技術，提供低時延：μs級別時延，ns級抖動，甚至更低，管理簡單，即插即用。
圖2 工業未來網絡體系功能設計
3.4 本方案TSN特性
網關設備以及工業TSN網絡設備共同構成了網絡設備，主要支持的功能如下：
1）低時延：時延微秒級別，抖動ns級別。
2）高帶寬：支持1G帶寬，并支持向10G / 100Gbps TSN演進；
3）統一SDN管理，支持Netconfi/YANG和OPC UA模型的統一網絡管理；
4）高精度時鐘，支持802.1as和1588V2，支持TSN Scheduling（<8ns）
5）實現TSN+OPC UA+邊緣計算平臺功能，支持工業4.0的高精度實時軟件容器環境。
3.5 TSN網絡結構
OPC-UA是目前應用較廣泛的工廠內應用使能技術，定義了一套通用的數據描述和語法表達方法（信息模型），每個系統都可以將各自的數據信息以OPC的格式進行組織，從而被其他系統所獲取和集成。
在基于TSN技術的工業傳輸解決方案中，通過OPC-UA進行網絡配置、完成信息的映射，TSN技術保障不同工業業務的傳輸性能，滿足不同場景的業務需求。
圖3 OPC-UA和TSN的集成方案
4 成功案例
華為與伙伴共同打造OPC UA+TSN網絡五大工業互聯場景，進行相關工業方案的場景驗證。
? 與AII打造的“電機預測性維護網絡（TSN for Predictive Maintenance）”
? 與美國國家儀器打造的“馬達同步（Motor Synchronization）”;
? 與和利時打造的“賽車游戲（Race-Car Game）”；
? 與Linmot打造的“繪圖運動控制（Plotter Motion Control）”;
? 與施耐德電氣打造的“LED同步（LED Synchronization）”；
? 與貝加萊打造的“OPC UA Over TSN”；
通過上述工業互聯場景驗證了TSN網絡在復雜環境情況下的高確定性和低時延性，TSN+OPC UA為工業互聯網在信息提取和信息交互帶來更多的數字化創新體驗，是預測性維護、數據分析、機器學習和人工智能等新技術的關鍵推動因素。可以幫助工業企業提升效率，減少停機時間，提高互操作性和降低總體成本等。
通過收集機床的各種數據，基于時間敏感網絡在邊緣側進行預測分析并通過邊云協同，在云端進行深度分析，同時支持高達50跳的不同廠家設備進行精確協同，支持標準以太網并通過多路徑和冗余路徑確保可靠性，在一跳上的延遲能達到小于10微秒，抖動小于0.1微秒，并在邊緣側通過容器技術提供可視化PLC（可編程邏輯控制器），且支持不同廠家的虛擬化PLC運行。
圖4 TSN網絡工業互聯場景拓撲