摘要

隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）在全球范圍內的興起，在未來(lái)的工業(yè)體系中，根據客戶(hù)不同的需求，配方、設計、生產(chǎn)都需要進(jìn)行快速地響應，真正實(shí)現柔性、定制化的生產(chǎn)，同時(shí)還需要提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)能，降低綜合成本等等。為了實(shí)現這種“變種變量”的生產(chǎn)，屆時(shí)將會(huì )有越來(lái)越多信息需要進(jìn)行收集與處理，譬如運營(yíng)、訂單、物料、生產(chǎn)現場(chǎng)、物流等等，因此IT(Information Technology)與OT(Operational Technology)之間的聯(lián)系需要更加的緊密。CC-Link IE TSN作為全球最早推出的基于TSN（Time Sensitive Networking）技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，順應了時(shí)代的潮流。

在整個(gè)工業(yè)的發(fā)展中，從工業(yè)2.0的電氣自動(dòng)化開(kāi)始，工業(yè)網(wǎng)絡(luò )在整個(gè)工業(yè)體系中就起著(zhù)不可替代的作用。在工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )普及之初，最早開(kāi)始占領(lǐng)市場(chǎng)的是基于RS-232的串口通信，但是在使用過(guò)程中存在各種各樣的問(wèn)題：首先是共模干擾的問(wèn)題，其次因為是其規定的最大電容為2500pF，極大限制了它的傳輸距離和傳輸速率，在現場(chǎng)使用過(guò)程中的可靠通訊距離僅為15m，通訊速率在20Kbps左右，同時(shí)點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式也很難滿(mǎn)足工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)的需求。

為了解決距離和速率的問(wèn)題，基于RS-485的串口通信誕生了，它在RS-232的基礎上優(yōu)化了收發(fā)方式并采用二線(xiàn)制實(shí)現1對N的通訊，通訊速率也提高到最快10Mbps，距離總長(cháng)可達1000m以上。雖然通訊由全雙工轉換成半雙工，但是更加符合工業(yè)場(chǎng)景對實(shí)時(shí)性的要求。目前市面上有非常多基于RS-485的工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，比如CC-Link、Profibus、Modbus、CANopen等總線(xiàn)協(xié)議。

到了20世紀末期，工業(yè)再次得到極大的提升，Mes系統、ERP系統、SCADA系統等應用對于生產(chǎn)現場(chǎng)傳輸的數據量及速度的要求有了更進(jìn)一步的需求，同時(shí)互聯(lián)網(wǎng)的火熱也極大地影響了工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，各家開(kāi)始推出了基于標準以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，比如CC-Link IE、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethercat、Ethernet/IP等等。這些網(wǎng)絡(luò )通過(guò)使用標準的網(wǎng)線(xiàn)、連接器以及靈活的拓撲結構，極大方便了現場(chǎng)施工，同時(shí)通訊距離與速率再次得到了提升，設備間距離擴展到100m，速率也可達到100Mbps，甚至1Gbps。

近年來(lái)隨著(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的落地，越來(lái)越多基于IT的應用軟件需要與現場(chǎng)的OT信息進(jìn)行交互，對于網(wǎng)絡(luò )的速度與數據量再次形成了嚴苛的挑戰，同時(shí)市場(chǎng)對普通以太網(wǎng)設備的使用、驅動(dòng)設備的高精度有了更高的要求?；谶@些原因，TSN技術(shù)正式進(jìn)入工業(yè)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域。CC-Link IE TSN作為最早應用TSN技術(shù)的工業(yè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在滿(mǎn)足IT與OT融合的情況下，提供更快的網(wǎng)速、更大的數據容量以及更高的網(wǎng)絡(luò )利用率。

3.1.  控制信息與生產(chǎn)管理信息的融合

CC-Link IE TSN對現場(chǎng)設備的控制信息提高其高優(yōu)先度，相對于生產(chǎn)管理信息優(yōu)先分配帶寬，實(shí)現了利用實(shí)時(shí)循環(huán)通信控制現場(chǎng)的設備，在確?？刂菩畔?shí)時(shí)性的同時(shí)還可以直接通過(guò)TCP/IP協(xié)議從終端設備獲取信息，兩種協(xié)議共存于同一網(wǎng)線(xiàn)內且互不干擾，不僅節省了現場(chǎng)配線(xiàn)成本，同時(shí)更是真正實(shí)現了IT與OT的融合。

圖 1 TSN技術(shù)及協(xié)議層

3.2.  系統設置及修復的快捷性

SNMP作為通用的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議，也與CC-Link IE TSN相兼容，使用對應SNMP的普通以太網(wǎng)診斷工具不僅可以方便的監視CC-Link IE TSN的兼容產(chǎn)品，也可以對普通以太網(wǎng)的交換機、工業(yè)相機、震動(dòng)檢測等設備進(jìn)行數據收集并分析，同時(shí)也為人工智能提供大數據。

通過(guò)采用TSN規范中的時(shí)鐘同步協(xié)議（參考IEEE802.1AS和IEEE1588V2），可以對各個(gè)兼容產(chǎn)品之間的時(shí)間進(jìn)行校準，保持其高精度的同步。利用CC-Link IE TSN兼容產(chǎn)品的時(shí)鐘同步功能，可以在運行日志中快速明確故障時(shí)間點(diǎn)，幫助大家識別異常原因并快速恢復網(wǎng)絡(luò )正常，與此同時(shí)還可以向上位IT系統提供現場(chǎng)狀況以及相對應的準確時(shí)間，通過(guò)分析耗電量、震動(dòng)情況等信息對現場(chǎng)設備進(jìn)行預維護或提前更換，大幅降低維護成本。

3.3.  生產(chǎn)節拍提高與網(wǎng)絡(luò )最大利用率

CC-Link IE TSN可以實(shí)現最小31.25μs的鏈接掃描周期，在工業(yè)現場(chǎng)能夠極大縮短生產(chǎn)節拍，提升整廠(chǎng)的生產(chǎn)能力。不僅如此，CC-Link IE TSN通過(guò)使用時(shí)間分割（IEEE802.1Qbv）實(shí)現在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中定義多種連接掃描周期，針對不同產(chǎn)品的特性設置相對應的鏈接掃描周期，比如對伺服系統、安全設備等可以定義高速周期，而對溫濕度傳感器等可使用中速或低速周期，從而實(shí)現最大的網(wǎng)絡(luò )帶寬利用率，提高整廠(chǎng)產(chǎn)能。

3.4.  開(kāi)發(fā)方式的多樣性

CC-Link IE TSN的兼容產(chǎn)品不僅可以通過(guò)專(zhuān)用的ASIC或FPGA的硬件方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，也可以在通用以太網(wǎng)芯片上使用軟件協(xié)議棧的方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通信速度也可根據產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇對應100Mbps或1Gbps，極大方便了設備廠(chǎng)商根據自身條件選擇開(kāi)發(fā)方式。

采用TSN技術(shù)的CC-Link IE TSN在充分利用標準以太網(wǎng)設備的同時(shí)，通過(guò)重新定義協(xié)議實(shí)現了高速的控制通信，滿(mǎn)足在各個(gè)行業(yè)中的應用。比如在汽車(chē)行業(yè)中，普通和安全通信可在同一條網(wǎng)線(xiàn)上進(jìn)行混合通信；在半導體行業(yè)，大容量的菜單數據及追溯數據也可高速通信，同時(shí)與HSMS混合通信也不會(huì )對控制信息的定時(shí)性造成影響；在鋰電行業(yè)中，通過(guò)組合通信周期的高速控制（伺服等）和低速控制（變頻器、調溫器等），可確保裝置性能并根據用途選定最佳設備。

圖 2 CC-Link IE TSN系統結構圖

TSN技術(shù)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展方向，未來(lái)將有越來(lái)越多基于TSN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )誕生，CC-Link IE TSN將會(huì )在未來(lái)與這些網(wǎng)絡(luò )實(shí)現互聯(lián)互通，推動(dòng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

來(lái)源： 伺服與運動(dòng)控制