實(shí)驗(yàn)平臺(tái)名稱

TSN（Time Sensitive Networking）測(cè)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(yàn)平臺(tái)目標(biāo)和概述

低時(shí)延開始逐步成為影響業(yè)務(wù)的指標(biāo)，隨著網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施的覆蓋范圍和應(yīng)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延的極限在ms級(jí)，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化加劇時(shí)延問題，如接入認(rèn)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題，基于現(xiàn)有架構(gòu)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相差較大：

（1）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線生命力旺盛

·  傳感器、驅(qū)動(dòng)控制器帶動(dòng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線持續(xù)增長，協(xié)議簡單、低成本、高可靠是其優(yōu)勢(shì)；

（2）場(chǎng)景復(fù)雜，接口、線纜、布線方式各異

·  高溫、醫(yī)療抗菌、食品衛(wèi)生、本安防爆等場(chǎng)景復(fù)雜；

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

（3）工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)多，廠商主導(dǎo)力量大

·  實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)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(duì)應(yīng)不同的以太標(biāo)準(zhǔn) ；

·  廠商影響力主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)使用范圍，標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域化特征明顯。

傳統(tǒng)工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議復(fù)雜，不同行業(yè)對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)的要求（實(shí)時(shí)以太、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化）不同。

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

·  海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：傳感器信息采集、動(dòng)作執(zhí)行記錄；

·  數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸：協(xié)議的對(duì)接轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的同步；

·  數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析：海量數(shù)據(jù)剝離，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)本地處理；

·  應(yīng)用生態(tài)的構(gòu)建：工業(yè)云如何構(gòu)建，應(yīng)用的快速開發(fā)。

TSN意圖在底層實(shí)現(xiàn)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，在軟件層面對(duì)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(biāo)準(zhǔn)并改進(jìn)；

·  幀優(yōu)先：幀截?cái)嗉安迦耄‵rame Pre-emption）；

·  流量調(diào)度：802.1Qbv，流量類型劃分，QoS；

·  SRP安全：Security Remote Password，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程配置；

·  逐一串流過濾及管理：流量控制，防止單點(diǎn)過載；

·  幀復(fù)制及消除：鏈路故障下的高可靠。

TSN測(cè)試床即驗(yàn)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(yīng)用場(chǎng)景介紹

2.1　預(yù)期成果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用TSN實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改造傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)：

·  減少時(shí)延：實(shí)現(xiàn)微妙級(jí)時(shí)延，納秒級(jí)時(shí)鐘同步；

·  高帶寬：GB+數(shù)據(jù)傳輸，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大容量數(shù)據(jù)傳輸要求；

·  互通性強(qiáng)：基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，互通簡單，減少廠商對(duì)接和數(shù)據(jù)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(tǒng)工業(yè)打破煙囪式結(jié)構(gòu)，推動(dòng)向水平分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同。實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)在其中作用巨大，預(yù)計(jì)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(duì)存量市場(chǎng)和快速新增市場(chǎng)帶來巨大的商業(yè)價(jià)值，提升工業(yè)廠商的生產(chǎn)效率，降低管理維護(hù)成本，為智能制造、柔性生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

2.3　社會(huì)價(jià)值

華為預(yù)測(cè)，到2025年，全球?qū)?huì)有1000億個(gè)連接。這些系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，比如倫敦地鐵軌道系統(tǒng)維多利亞線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案每天產(chǎn)生32TB 的數(shù)據(jù)。這些模擬大數(shù)據(jù)將通過分析和處理來驅(qū)動(dòng)正確的業(yè)務(wù)決策，最終提高安全性、正常運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行效率。

對(duì)于部分場(chǎng)景，如交通、電力、精密制造等，時(shí)間要求嚴(yán)格的重要數(shù)據(jù)必須在嚴(yán)格的延遲和可靠性規(guī)定內(nèi)進(jìn)行傳輸和共享。這包括重要控制和故障檢測(cè)數(shù)據(jù)，不管其他網(wǎng)絡(luò)流量如何，這些數(shù)據(jù)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(chǔ)設(shè)施并不具備處理此類時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)的能力。許多工業(yè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)根據(jù)普渡模型的控制層次結(jié)構(gòu)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要?jiǎng)?chuàng)建和優(yōu)化多個(gè)可靠的總線層來滿足特定任務(wù)的需求。每個(gè)總線層的延遲、帶寬、服務(wù)質(zhì)量各不相同，使得實(shí)現(xiàn)互操作性非常困難，即時(shí)傳輸重要數(shù)據(jù)也變得幾乎不可能。此外，目前專用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，需要對(duì)硬件進(jìn)行改良。

TSN技術(shù)很好地滿足下一代工業(yè)系統(tǒng)的需求，并從根本上改進(jìn)我們運(yùn)行機(jī)器、電網(wǎng)和交通軌道系統(tǒng)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(xiàn)。

3　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)可行性

3.1　TSN方案架構(gòu)

TSN方案一期總體架構(gòu)如下圖所示：

用戶通過人機(jī)接口進(jìn)行完成目標(biāo)產(chǎn)品（巧克力）選定, 邊緣智能節(jié)點(diǎn)（智能產(chǎn)品、機(jī)器人、傳送帶）在TSN網(wǎng)絡(luò)中利用數(shù)字雙胞胎技術(shù)和開放互聯(lián)協(xié)議協(xié)商完成目標(biāo)產(chǎn)品的生產(chǎn)（巧克力擺放）。驗(yàn)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(gòu)如下圖所示：

（1）場(chǎng)景創(chuàng)新

· 預(yù)測(cè)性維護(hù)：收集機(jī)床的各種數(shù)據(jù)，在Edge進(jìn)行簡單的預(yù)測(cè)分析并與Cloud聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行深度分析；

· 運(yùn)動(dòng)控制：不同廠家的機(jī)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(tái)運(yùn)行不同廠商的虛擬化PLC。

（2）功能增強(qiáng)

· 基于ODL的CNC控制器（后續(xù)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)模可確定性網(wǎng)絡(luò)。

3.2　邊緣計(jì)算平臺(tái)

邊緣計(jì)算TSN平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

邊緣計(jì)算TSN交換機(jī)規(guī)格參數(shù)：

3.3　AC敏捷控制器軟件平臺(tái)

（1）基本功能：海量I/O設(shè)備管理，設(shè)備即插即用，設(shè)備固件升級(jí)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)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(jiān)控及統(tǒng)計(jì)，計(jì)算能力管理；

（3）VM/容器生命周期管理；

（4）APP生命周期管理；

（5）開放：支持RESTful北向接口，基于SDN開放框架，支持與3方APP及IOT平臺(tái)集成。

3.4　Rethink Robotics機(jī)器人

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Rethink Robotics機(jī)器人型號(hào)為BAXTER協(xié)作機(jī)器人，具有以下特點(diǎn)：

（1）柔順、安全，友好的人機(jī)互動(dòng)；

（2）無需編程-操作人員可手動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作；

（3）充分勝任重復(fù)性的工作；

（4）更加智能，可方便集成到現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。

3.5　Ixia TSN測(cè)試仿真環(huán)境

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Ixia測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)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(shè)備及功能結(jié)構(gòu)圖如下:

3.6　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演進(jìn)計(jì)劃

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分兩個(gè)階段演進(jìn)：

Phase-1：實(shí)現(xiàn)TSN及OPC UA基本功能。

·  802.1基礎(chǔ)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(qiáng)。

·   在EC中提供可視化PLC環(huán)境，并提供平臺(tái)運(yùn)行不同廠商的虛擬化PLC；

·  基于ODL的CNC控制器（后續(xù)演化到AC）；

·  OPC UA 1：N Pub/Sub模式。

4　和ECC技術(shù)及測(cè)試臺(tái)的關(guān)系

4.1　ECC邊緣計(jì)算總體架構(gòu)

工業(yè)機(jī)器人預(yù)測(cè)維護(hù)方案匹配ECC邊緣計(jì)算總體架構(gòu)，如下圖：

5　交付件

TSN解決方案（包括Rethink Robotics機(jī)器人，邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)/TSN交換機(jī)，TSN測(cè)試仿真系統(tǒng)）。

6　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用者

相關(guān)單位可利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建TSN實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，通過合適接口設(shè)計(jì)，完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)集成，歡迎更多伙伴加入本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年8月刊