實(shí)驗平臺名稱(chēng)

TSN（Time Sensitive Networking）測試床

發(fā)起單位

華為技術(shù)有限公司

合作公司

Fraunhofer

1　實(shí)驗平臺目標和概述

低時(shí)延開(kāi)始逐步成為影響業(yè)務(wù)的指標，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )作為基礎設施的覆蓋范圍和應用深度增加，網(wǎng)絡(luò )時(shí)延逐漸成為瓶頸，影響業(yè)務(wù)承載。

傳統網(wǎng)絡(luò )低時(shí)延的極限在ms級，網(wǎng)絡(luò )復雜化加劇時(shí)延問(wèn)題，如接入認證等多業(yè)務(wù)處理引入時(shí)延、防火墻等安全策略加劇問(wèn)題，基于現有架構的解決方案已接近極限。

制造業(yè)的通信演進(jìn)深入地融合了行業(yè)特性，與傳統網(wǎng)絡(luò )相差較大：

（1）工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)生命力旺盛

·  傳感器、驅動(dòng)控制器帶動(dòng)工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)持續增長(cháng)，協(xié)議簡(jiǎn)單、低成本、高可靠是其優(yōu)勢；

（2）場(chǎng)景復雜，接口、線(xiàn)纜、布線(xiàn)方式各異

·  高溫、醫療抗菌、食品衛生、本安防爆等場(chǎng)景復雜；

·  Picotype：M8、Eurotype：M12、Minitype：7/8接口各異；

（3）工業(yè)以太網(wǎng)標準多，廠(chǎng)商主導力量大

·  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全、網(wǎng)絡(luò )安全等不同的技術(shù)對應不同的以太標準 ；

·  廠(chǎng)商影響力主導標準使用范圍，標準的區域化特征明顯。

傳統工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議復雜，不同行業(yè)對物理網(wǎng)絡(luò )的要求（實(shí)時(shí)以太、運動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化）不同。

實(shí)現智能制造，ICT能力與OT的融合是關(guān)鍵，TSN為基礎能力：

·  海量數據的產(chǎn)生：傳感器信息采集、動(dòng)作執行記錄；

·  數據的實(shí)時(shí)傳輸：協(xié)議的對接轉換，數據的同步；

·  數據的實(shí)時(shí)分析：海量數據剝離，實(shí)時(shí)數據本地處理；

·  應用生態(tài)的構建：工業(yè)云如何構建，應用的快速開(kāi)發(fā)。

TSN意圖在底層實(shí)現架構標準化，在軟件層面對各個(gè)行業(yè)進(jìn)行適配。TSN的六大關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：

·  時(shí)間同步：引入AVB標準并改進(jìn)；

·  幀優(yōu)先：幀截斷及插入（Frame Pre-emption）；

·  流量調度：802.1Qbv，流量類(lèi)型劃分，QoS；

·  SRP安全：Security Remote Password，實(shí)現遠程配置；

·  逐一串流過(guò)濾及管理：流量控制，防止單點(diǎn)過(guò)載；

·  幀復制及消除：鏈路故障下的高可靠。

TSN測試床即驗證在智能制造場(chǎng)景下工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵特性和能力。

2　應用場(chǎng)景介紹

2.1　預期成果

實(shí)驗平臺利用TSN實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，改造傳統工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現：

·  減少時(shí)延：實(shí)現微妙級時(shí)延，納秒級時(shí)鐘同步；

·  高帶寬：GB+數據傳輸，滿(mǎn)足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大容量數據傳輸要求；

·  互通性強：基于標準以太網(wǎng)，互通簡(jiǎn)單，減少廠(chǎng)商對接和數據收集難度。

2.2　商業(yè)價(jià)值

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)傳統工業(yè)打破煙囪式結構，推動(dòng)向水平分布式結構轉變，加強互聯(lián)，實(shí)現多系統協(xié)同。實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )在其中作用巨大，預計到2019年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )總空間約95億美金。

TSN實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )可對存量市場(chǎng)和快速新增市場(chǎng)帶來(lái)巨大的商業(yè)價(jià)值，提升工業(yè)廠(chǎng)商的生產(chǎn)效率，降低管理維護成本，為智能制造、柔性生產(chǎn)打下基礎。

2.3　社會(huì )價(jià)值

華為預測，到2025年，全球將會(huì )有1000億個(gè)連接。這些系統將會(huì )產(chǎn)生龐大的數據，比如倫敦地鐵軌道系統維多利亞線(xiàn)的狀態(tài)監測解決方案每天產(chǎn)生32TB 的數據。這些模擬大數據將通過(guò)分析和處理來(lái)驅動(dòng)正確的業(yè)務(wù)決策，最終提高安全性、正常運行時(shí)間和運行效率。

對于部分場(chǎng)景，如交通、電力、精密制造等，時(shí)間要求嚴格的重要數據必須在嚴格的延遲和可靠性規定內進(jìn)行傳輸和共享。這包括重要控制和故障檢測數據，不管其他網(wǎng)絡(luò )流量如何，這些數據都必須及時(shí)進(jìn)行處理、共享和采取措施。

今天的大部分網(wǎng)絡(luò )基礎設施并不具備處理此類(lèi)時(shí)間敏感型數據的能力。許多工業(yè)系統和網(wǎng)絡(luò )根據普渡模型的控制層次結構來(lái)進(jìn)行設計，需要創(chuàng )建和優(yōu)化多個(gè)可靠的總線(xiàn)層來(lái)滿(mǎn)足特定任務(wù)的需求。每個(gè)總線(xiàn)層的延遲、帶寬、服務(wù)質(zhì)量各不相同，使得實(shí)現互操作性非常困難，即時(shí)傳輸重要數據也變得幾乎不可能。此外，目前專(zhuān)用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的帶寬有限，需要對硬件進(jìn)行改良。

TSN技術(shù)很好地滿(mǎn)足下一代工業(yè)系統的需求，并從根本上改進(jìn)我們運行機器、電網(wǎng)和交通軌道系統的方式，為智能制造、智能電力等工業(yè)發(fā)展做出重要貢獻。

3　實(shí)驗平臺技術(shù)可行性

3.1　TSN方案架構

TSN方案一期總體架構如下圖所示：

用戶(hù)通過(guò)人機接口進(jìn)行完成目標產(chǎn)品（巧克力）選定, 邊緣智能節點(diǎn)（智能產(chǎn)品、機器人、傳送帶）在TSN網(wǎng)絡(luò )中利用數字雙胞胎技術(shù)和開(kāi)放互聯(lián)協(xié)議協(xié)商完成目標產(chǎn)品的生產(chǎn)（巧克力擺放）。驗證TSN 802.1和OPC UA C/S模式關(guān)鍵技術(shù)。

TSN方案二期總體架構如下圖所示：

（1）場(chǎng)景創(chuàng )新

· 預測性維護：收集機床的各種數據，在Edge進(jìn)行簡(jiǎn)單的預測分析并與Cloud聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行深度分析；

· 運動(dòng)控制：不同廠(chǎng)家的機械臂進(jìn)行精確協(xié)同；

· vPLC：在EC中提供可視化PLC環(huán)境，并提供平臺運行不同廠(chǎng)商的虛擬化PLC。

（2）功能增強

· 基于ODL的CNC控制器（后續演化到AC）；

· OPC UA 1：N Pub/Sub模式；

· TSN網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)配置（Plug&Play)，除標準的802.1 Qcc中的SRP動(dòng)態(tài)配置外，加入SoN技術(shù)；

· TSN可靠性（802.1 CB協(xié)議優(yōu)化） ；

· TSN與XE融合，組建大規?？纱_定性網(wǎng)絡(luò )。

3.2　邊緣計算平臺

邊緣計算TSN平臺系統架構如下圖所示：

邊緣計算TSN交換機規格參數：

3.3　AC敏捷控制器軟件平臺

（1）基本功能：海量I/O設備管理，設備即插即用，設備固件升級，設備狀態(tài)監控，性能管理，告警管理；

（2）網(wǎng)絡(luò )管理：L2 & L3網(wǎng)絡(luò )管理，L4~L7策略管理，WLAN/3G網(wǎng)絡(luò )接口管理，流量監控及統計，計算能力管理；

（3）VM/容器生命周期管理；

（4）APP生命周期管理；

（5）開(kāi)放：支持RESTful北向接口，基于SDN開(kāi)放框架，支持與3方APP及IOT平臺集成。

3.4　Rethink Robotics機器人

實(shí)驗平臺采用Rethink Robotics機器人型號為BAXTER協(xié)作機器人，具有以下特點(diǎn)：

（1）柔順、安全，友好的人機互動(dòng)；

（2）無(wú)需編程-操作人員可手動(dòng)引導機器人進(jìn)行動(dòng)作；

（3）充分勝任重復性的工作；

（4）更加智能，可方便集成到現有工業(yè)自動(dòng)化系統中。

3.5　Ixia TSN測試仿真環(huán)境

實(shí)驗平臺采用Ixia測試環(huán)境，實(shí)現如下功能:

·  Simulate Talker based on Qbv schedule

·  Simulate 802.1AS-rev Master and Slave devices

·  Simulate multiple gPTP domains on same port

·  Analyse DUT TSN traffic in gPTP time base

·  Simulate out of domain interfering traffic

Ixia設備及功能結構圖如下:

3.6　實(shí)驗平臺演進(jìn)計劃

實(shí)驗平臺分兩個(gè)階段演進(jìn)：

Phase-1：實(shí)現TSN及OPC UA基本功能。

·  802.1基礎功能（802.1AS，802.1Qbv，802.1Qcc，802.1Qbu，802.1CB）；

·  OPC UA C/S模式。

Phase-2：vPLC場(chǎng)景創(chuàng )新，TSN配置及OPC UA功能增強。

·   在EC中提供可視化PLC環(huán)境，并提供平臺運行不同廠(chǎng)商的虛擬化PLC；

·  基于ODL的CNC控制器（后續演化到AC）；

·  OPC UA 1：N Pub/Sub模式。

4　和ECC技術(shù)及測試臺的關(guān)系

4.1　ECC邊緣計算總體架構

工業(yè)機器人預測維護方案匹配ECC邊緣計算總體架構，如下圖：

5　交付件

TSN解決方案（包括Rethink Robotics機器人，邊緣計算網(wǎng)關(guān)/TSN交換機，TSN測試仿真系統）。

6　實(shí)驗平臺使用者

相關(guān)單位可利用實(shí)驗平臺搭建TSN實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)合適接口設計，完成實(shí)驗平臺集成，歡迎更多伙伴加入本實(shí)驗平臺。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年8月刊