4 个原因 – 为什么 TSN 用于运动控制应用？

工业通信协议的背景

自动化金字塔的IT层和OT层分别执行两种不同类型的实时操作，即软实时通信和硬实时通信。软实时通信主要发生在跨 MES、ERP、云和控制系统的水平和垂直 IT 应用程序中。另一方面，硬实时通信横向发生在机器之间，纵向发生在控制器和 SCADA/HMI 之间。

虽然软实时操作可以承受 10 到 50 毫秒的延迟，但如果延迟超过 1 毫秒，大多数硬实时操作都会受到严重影响。运动控制应用程序通常是硬实时绑定的，并且不确定性、抖动、高延迟和带宽等常见网络错误会严重影响吞吐量。

想象一下，一个机械臂正在传送带上移动物品并传递到下一个站点进行进一步处理，就其计时而言必须高度精确。几分之一秒的延迟可能会损坏物品或中断操作连续性。

这清楚地强调了尖端机器的需求，即速度、精度和确定性。目前，现场总线和以太网是工厂车间使用的两种主要网络技术。随着以太网标准的不断更新，对于OT层的操作也逐渐普及。

现有网络中的挑战

已经出现了多种用于现场级的通信技术，但以太网和现场总线协议在各行业中应用最为广泛。然而，尽管进行了几次定期升级，工业厂房仍面临以下挑战：

• 潜伏：RS 232 和 RS 485、SERCOS、DeviceNet 等第一代工业网络技术能够支持远距离数据传输。然而，数据传输速率非常低，即大约 1 Mbit/sec。为了克服这一点，具有既定物理层的以太网成为行业的首选。逐渐地，第 2 代网络技术开始出现以太网 PHY，例如带有 PROFINET 的 Profibus、带有 Modbus TCP 的 Modbus、带有 CC-Link IE 的 CC-Link 等。然而，即使有许多标准，以太网仍然无法解决延迟和确定性问题工业网络的需求。尽管如此，PROFINET IRT 提供了与硬实时操作相同的确定性功能。但是，需要精确的时序模型来规划流量切片。很遗憾，
• 抖动：工业运动控制应用面临的最大挑战之一当然不是连接速度慢。而是抖动。抖动可以理解为延迟的变化。遗憾的是，通过 TCP、IP 或 UDP 的数据传输必然会出现抖动。由于缺乏流量优先级和切片能力，变化的延迟在很大程度上干扰了工厂车间的操作，特别是当操作是时间关键的时候。
• 实施复杂性：第一代工业网络技术具有不同的物理层，这不允许它们在异构网络之间共享公共布线。随后，第 2 代网络解决方案使用了通用的以太网 PHY，但专有的第 2 层实现仍然无法让它们在同一根电缆上传输。对于具有支持多个供应商的各种机器和设备的车间来说，这是一个严重的安装复杂性。这是制造商锁定的理想情况，因为它迫使工厂被选定的供应商所限制。

与顶层应用程序要求相反，车间要求网络连接具有超低延迟、固定抖动和确定性功能。这些必需品需要一种网络标准，该标准不仅允许连接对时间敏感，而且跨越自动化金字塔的所有层。

什么是时间敏感网络 (TSN)？

以太网是网络顶层最受欢迎的网络技术之一。但是，它也逐渐成为出厂设置的正确选择。解决标准和工业以太网中存在的常见问题的方法是在 OSI 模型的第二层引入新的网络标准。这些全新的标准统称为时间敏感网络，简称TSN。

TSN 是音频视频桥接技术（一组允许通过标准以太网传输高质量音频和视频信号的标准）的扩展。IEEE 802.1 TSN 任务组开发了 TSN 标准，可以解决标准和工业以太网中存在的所有挑战。TSN 规范中可以在单个线程中连接自动化金字塔的许多标准中的一些是：

• IEEE 802.1AS：一种机制，通过使网络中所有节点的消息和延迟与 Grandmaster 节点的时钟（称为 Grandmaster Clock）保持一致来同步它们。使用一种称为最佳主时钟算法 (BMCA) 的算法来选择 Grandmaster。BMCA 负责广播时间并测量延迟以维护时间表。
• IEEE 802.1 Qbv：一种根据主节点共享的时间来调度流量的标准。802.1Qbv 定义了一种机制来控制通过 TSN 交换机的排队消息流。这可确保在这些时间窗口中仅发布计划的消息。非调度流量被阻止，从而使每个交换机的延迟成为确定性的。
• IEEE 802.1Qbu：该标准中断大型低优先级以太网帧以传输高优先级流量。在此之后，它会恢复发送大帧的剩余部分，而不会影响或丢失先前传输的数据。
• 其他标准：定义 TSN 各种功能的其他一些标准包括：

迁移到基于 TSN 的以太网网络将需要特殊的硬件功能，例如用于同步网络时钟的 PTP 协议（​​精确时间协议）和用于调制/解调和发送/接收信号的 PHY/MAC。运动控制应用程序中的确定性可以通过特定协议实现，例如 EtherCAT、Profinet IRT 和 EtherNet/IP 等。

为何将 TSN 用于运动控制应用？

TSN 具有改造运动控制应用程序的能力。它通过使工厂能够应对机器之间的不兼容性、绝对实时确定性通信等长期存在的问题来实现这一点。看一看。

• 可扩展性： TSN 将在整个自动化金字塔中扩展标准以太网的使用。这将允许工厂也将现有的顶层网络设置用于现场层。这也意味着添加新机器/设备会更容易，而不必担心供应商和制造商。因此，一个网络从现场层到顶层。
• 互操作性： TSN 通过允许在 OSI 模型的数据链路层之上实施商用现成 (COTS) 网络技术，消除了运动控制设备和应用程序之间长期存在的不兼容问题。不仅如此，凭借以太网的向后兼容性，设备工程师将能够将 TSN 整合到他们的网络中，而不必担心过时，从而鼓励改进新旧机器/设备之间的互操作性。
• IIoT 的更大范围：由于能够对时间关键型和非关键型消息队列的带宽进行分类，TSN 允许同一网络用于各种运动控制和其他应用。这也简化了跨 OT 和 IT 层的网络连接，使工厂机器与 IT 层的客户端应用程序之间的通信模型更加顺畅。因此，IIoT 的范围有所扩大。
• 降低维护成本：使用一种跨通信层次结构的标准技术，消除了在 IT 和 OT 层维护两种独立技术的复杂性。这进一步导致更少的电缆和硬件，从而导致更少的维护成本。

脚注

实时数据可访问性对于时间关键型运动控制应用程序的重要性日益增加，这促使协议协会创建他们对 TSN 的改编。TSN 肯定会支持在其上实施多种协议，以提供尖端解决方案。Utthunga 以在提供一流解决方案方面的巨大成功率而闻名。我们的产品工程能力跨越自动化层次结构的所有层级。我们的运动控制服务涵盖硬件和固件开发、应用程序开发、过时管理、价值分析和价值工程、生命周期管理、确认和验证、预合规和认证支持等等。

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