北京和利時(shí)系統工程有限公司 虞日躍，劉盈

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 劉丹

摘要：當前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展缺乏統一標準化的互聯(lián)網(wǎng)規范，僅僅是將數據從物的前端通過(guò)采集后傳輸到后臺數據庫，然后一層層向上傳遞到各個(gè)應用層。那么，所有的業(yè)務(wù)模式都只會(huì )是一個(gè)個(gè)孤立的解決方案。本文提出了基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)標準，結合工業(yè)以太網(wǎng)的典型應用案例，為物聯(lián)網(wǎng)今后的發(fā)展提供一種新的建設思路。

關(guān)鍵詞：TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )）；軸間同步；運動(dòng)控制

1　實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)概述

目前，在工廠(chǎng)自動(dòng)化設備的工業(yè)控制總線(xiàn)技術(shù)中存在著(zhù)多種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，比如Ethernet/IP、PROFINET、SERCOSIII、CC-Link、POWERLINK、EtherCAT等，這些協(xié)議都是為了解決IEEE802.3中數據碰撞的機制，導致的不確定性的數據傳輸延遲。在標準以太網(wǎng)的基礎上修改或增加了一些特定的協(xié)議，以及采用了軟實(shí)時(shí)或硬實(shí)時(shí)的方法，以保證循環(huán)周期在1ms~100ms內不同級別的實(shí)時(shí)性和確定性。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)主要應用在需要快速響應、確定時(shí)間周期的高速運轉的機械設備，如印刷機、折彎機、鋼鐵切割和各種機械手等。

2　實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)在運動(dòng)控制產(chǎn)品中的應用

國內外做運動(dòng)控制產(chǎn)品的公司，如英國的翠歐（Trio），國內的和利時(shí)，目前的運動(dòng)控制產(chǎn)品，在采用總線(xiàn)方式的軸同步時(shí)，都是采用一個(gè)控制器帶多軸的控制方式。如和利時(shí)的MC100XX系列運動(dòng)控制產(chǎn)品，采用的是EtherCAT或RTEX等ms級的實(shí)時(shí)總線(xiàn)技術(shù)。和利時(shí)MC系列運動(dòng)控制器，在多線(xiàn)切割機中的應用案例。

多線(xiàn)切割是一種通過(guò)金屬絲的高速往復運動(dòng)，將藍寶石等高硬脆性材料一次同時(shí)切割為數百片薄片的一種新型切割加工方法，工作原理如圖1所示。多線(xiàn)切割已經(jīng)逐漸取代了傳統的內圓切割，成為硬脆材料切割加工的主要方式。多線(xiàn)切割機對運動(dòng)控制技術(shù)指標要求：系統至少8軸同步運行，切割線(xiàn)速度至少800m/min，切割線(xiàn)張力穩定（張力波動(dòng)在3N以?xún)龋?/p>

圖1 多線(xiàn)切割原理框圖

要達到以上運動(dòng)控制技術(shù)指標要求，需要保證伺服控制周期≤1ms，張力波動(dòng)控制在3N以?xún)?，和利時(shí)的MC系列控制器中，采用EtherCAT實(shí)時(shí)總線(xiàn)的us級軸間同步技術(shù)，伺服控制周期和總線(xiàn)實(shí)時(shí)通訊周期都是1ms。系統配置圖如圖2所示。

圖2 和利時(shí)MC控制多線(xiàn)切割機框圖

用以太網(wǎng)作為總線(xiàn)實(shí)現軸間同步，比直連軸（以開(kāi)環(huán)脈沖或閉環(huán)模擬量方式控制步進(jìn)或伺服電機）驅動(dòng)執行器，在帶載能力和安裝靈活性方面，優(yōu)勢很明顯。

3　什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )？

上面提到的各個(gè)廠(chǎng)家主推的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，并非是標準以太網(wǎng)，雖然在滿(mǎn)足機器運動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余。但是這些協(xié)議在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上都存在一些不足，特別是當前大數據和云計算等進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域、要求兩化融合的背景下，不僅要保證大數據傳輸，而且要保證傳輸的實(shí)時(shí)性和確定性，這時(shí)現有的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議就顯得力不從心。為此，許多工業(yè)供應商、IT廠(chǎng)商和芯片提供商，加入IEEE802標準委員會(huì )和AVnu聯(lián)盟，共同更新標準以太網(wǎng)協(xié)議，并為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間敏感型數據制定了低延遲數據傳輸標準。這個(gè)新標準稱(chēng)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（Time-Sensitive Networking，簡(jiǎn)稱(chēng)TSN）。

TSN有著(zhù)帶寬、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢，能夠很好滿(mǎn)足未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的要求。其主要的工作原理是優(yōu)先適用（IEEE P802.3br）機制，在傳輸中讓關(guān)鍵數據包優(yōu)先處理。這意味著(zhù)關(guān)鍵數據不必等待所有的非關(guān)鍵數據完成傳送后才開(kāi)始，從而確保更快速的傳輸路徑。

4　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)試驗平臺

通過(guò)NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統，對傳統的以太網(wǎng)和TSN兩種不同的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行比較。CompactRIO支持TSN，該系統框圖如圖3所示。NI的Controller1通過(guò)TSN將電機控制的轉盤(pán)位置信息傳輸給思科的TSN交換機，通過(guò)此交換機把位置信息同時(shí)發(fā)送給2號控制器和另外一臺交換機，另外一臺交換機把位置信息通過(guò)TSN傳輸給3號控制器，2號和3號控制器根據接收到的位置信息控制轉盤(pán)，做相應的運動(dòng)。

圖3 NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統

另外兩個(gè)思科的交換機里同時(shí)還傳輸著(zhù)視頻大數據。把以太網(wǎng)攝像頭的視頻數據，通過(guò)思科交換機發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )監視器。

如果不啟用TSN，而用UDP傳輸的方式，當兩臺交換機之間有視頻等大數據傳輸時(shí)，由于受到網(wǎng)絡(luò )上大數據的影響，兩個(gè)轉盤(pán)之間的同步位置會(huì )越來(lái)越差，兩個(gè)控制器之間丟失的數據也會(huì )越來(lái)越多。而當啟用TSN傳輸時(shí)，兩臺交換機之間一直在傳輸視頻大數據，但是兩個(gè)轉盤(pán)的位置保持很好的同步，兩個(gè)控制器之間的數據也沒(méi)有丟失。

這個(gè)演示系統表明，TSN能夠保持時(shí)間敏感數據的優(yōu)先傳輸，從而實(shí)現實(shí)時(shí)性和確定性。由于TSN采用標準以太網(wǎng)協(xié)議，TSN可無(wú)縫集成現有以太網(wǎng)應用和標準的IT網(wǎng)絡(luò )來(lái)提高易用性。此外，TSN繼承了現有以太網(wǎng)的許多特性，比如HTTP接口和web服務(wù)，實(shí)現了IIoT系統所需的遠程診斷、可視化和修復功能。

5　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN的應用前景展望

智能制造描繪了一個(gè)宏觀(guān)的工業(yè)愿景，正是通過(guò)大數據、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、仿真、虛擬現實(shí)、工業(yè)機器人、機器視覺(jué)、人工智能等基礎技術(shù)，一步步實(shí)現智能制造的宏偉藍圖。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）就是一個(gè)由日益智能且能互連互通的設備和基礎設施構成的世界。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )（TSN）新標準出現，解決了現有網(wǎng)絡(luò )的一些缺點(diǎn)，新的TSN標準將會(huì )帶來(lái)帶寬、安全性、互操作、延遲和同步等好處，把需要和不需要實(shí)時(shí)數據傳輸的機器、人和物，連接起來(lái)。

在汽車(chē)領(lǐng)域，目前大多數的汽車(chē)控制系統剎車(chē)、引擎、懸掛等采用CAN總線(xiàn)，而燈光、車(chē)門(mén)、遙控等采用LIN系統，娛樂(lè )系統用FlexRay和MOST等車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的方式。TSN的標準和功能確定以后，TSN必將成為汽車(chē)行業(yè)的核心網(wǎng)絡(luò )，為以后車(chē)聯(lián)網(wǎng)和智慧交通打下基礎。

在工業(yè)領(lǐng)域，當前制造業(yè)生產(chǎn)管理對于效能和良率要求倍增，使得工業(yè)應用領(lǐng)域的通訊帶寬需求日益攀升，期望透過(guò)工廠(chǎng)擷取的高信息量分析大數據，推動(dòng)新一代智能制造應用。若全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議行駛于TSN標準，可以很容易地透過(guò)集權式的云端伺服器，實(shí)現定制化生產(chǎn)、柔性制造，推動(dòng)《中國制造2025》戰略，達到協(xié)同制造、新興業(yè)態(tài)等制造業(yè)的核心能力。

6　結語(yǔ)

新的TSN特征將在IIoT應用中通過(guò)增加通信要求的確定性和低延遲性，應該可以消除標準以太網(wǎng)未能作主骨干的IIoT網(wǎng)絡(luò )的最后障礙，推動(dòng)關(guān)鍵和非關(guān)鍵的控制信息和數據匯聚到單個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò)增加必要的網(wǎng)絡(luò )安全措施，真正實(shí)現一網(wǎng)到底。

（注：本研究依托智能制造專(zhuān)項綜合標準化試驗驗證項目“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )標準研究和驗證平臺建設”進(jìn)行。）

作者簡(jiǎn)介：

虞日躍, 男，浙江東陽(yáng)人，中級工程師，碩士，現就職于北京和利時(shí)系統工程有限公司，研究方向為測試計量。

劉盈, 男，內蒙古呼和浩特人，初級工程師，碩士，現就職于北京和利時(shí)系統工程有限公司，研究方向為電氣工程。

劉丹，女，遼寧沈陽(yáng)人，教授級高工，博士，現任職于機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，主要從事工業(yè)通訊及智能制造通用技術(shù)的研究。

參考文獻：

[1] 802.3br-2016 - IEEE Standard for Ethernet Amendment 5: Specification and Management Parameters for Interspersing Express Traffic [S].

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年6月刊