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實驗平臺名稱

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　實驗平臺目標和概述

低時延開始逐步成為影響業(yè)務的指標，隨著網(wǎng)絡作為基礎設施的覆蓋范圍和應用深度增加，網(wǎng)絡時延逐漸成為瓶頸，影響業(yè)務承載。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡低時延的極限在ms級，網(wǎng)絡復雜化加劇時延問題，如接入認證等多業(yè)務處理引入時延、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)的通信演進深入地融合了行業(yè)特性，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相差較大：

（1）工業(yè)現(xiàn)場總線生命力旺盛

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

（2）場景復雜，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，廠商主導力量大

·  實時以太網(wǎng)、運動控制、分布式自動化、故障安全、網(wǎng)絡安全等不同的技術(shù)對應不同的以太標準 ；

·  廠商影響力主導標準使用范圍，標準的區(qū)域化特征明顯。

傳統(tǒng)工業(yè)底層網(wǎng)絡協(xié)議復雜，不同行業(yè)對物理網(wǎng)絡的要求（實時以太、運動控制、分布式自動化）不同。

實現(xiàn)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(shù)據(jù)的產(chǎn)生：傳感器信息采集、動作執(zhí)行記錄；

·  數(shù)據(jù)的實時傳輸：協(xié)議的對接轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的同步；

·  數(shù)據(jù)的實時分析：海量數(shù)據(jù)剝離，實時數(shù)據(jù)本地處理；

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

TSN意圖在底層實現(xiàn)架構(gòu)標準化，在軟件層面對各個行業(yè)進行適配。TSN的六大關(guān)鍵技術(shù)點：

·  時間同步：引入AVB標準并改進；

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

·  流量調(diào)度：802.1Qbv，流量類型劃分，QoS；

·  SRP安全：Security Remote Password，實現(xiàn)遠程配置；

·  逐一串流過濾及管理：流量控制，防止單點過載；

·  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景下工業(yè)實時網(wǎng)絡的關(guān)鍵特性和能力。

2　應用場景介紹

2.1　預期成果

實驗平臺利用TSN實時網(wǎng)絡技術(shù)，改造傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡，實現(xiàn)：

·  減少時延：實現(xiàn)微妙級時延，納秒級時鐘同步；

·  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：基于標準以太網(wǎng)，互通簡單，減少廠商對接和數(shù)據(jù)收集難度。

2.2　商業(yè)價值

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動傳統(tǒng)工業(yè)打破煙囪式結(jié)構(gòu)，推動向水平分布式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，加強互聯(lián)，實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同。實時網(wǎng)絡在其中作用巨大，預計到2019年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡總空間約95億美金。

TSN實時網(wǎng)絡可對存量市場和快速新增市場帶來巨大的商業(yè)價值，提升工業(yè)廠商的生產(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　社會價值

華為預測，到2025年，全球?qū)?000億個連接。這些系統(tǒng)將會產(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)動正確的業(yè)務決策，最終提高安全性、正常運行時間和運行效率。

對于部分場景，如交通、電力、精密制造等，時間要求嚴格的重要數(shù)據(jù)必須在嚴格的延遲和可靠性規(guī)定內(nèi)進行傳輸和共享。這包括重要控制和故障檢測數(shù)據(jù)，不管其他網(wǎng)絡流量如何，這些數(shù)據(jù)都必須及時進行處理、共享和采取措施。

今天的大部分網(wǎng)絡基礎設施并不具備處理此類時間敏感型數(shù)據(jù)的能力。許多工業(yè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡根據(jù)普渡模型的控制層次結(jié)構(gòu)來進行設計，需要創(chuàng)建和優(yōu)化多個可靠的總線層來滿足特定任務的需求。每個總線層的延遲、帶寬、服務質(zhì)量各不相同，使得實現(xiàn)互操作性非常困難，即時傳輸重要數(shù)據(jù)也變得幾乎不可能。此外，目前專用以太網(wǎng)網(wǎng)絡的帶寬有限，需要對硬件進行改良。

TSN技術(shù)很好地滿足下一代工業(yè)系統(tǒng)的需求，并從根本上改進我們運行機器、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。

3　實驗平臺技術(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：

用戶通過人機接口進行完成目標產(chǎn)品（巧克力）選定, 邊緣智能節(jié)點（智能產(chǎn)品、機器人、傳送帶）在TSN網(wǎng)絡中利用數(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(gòu)如下圖所示：

（1）場景創(chuàng)新

· 預測性維護：收集機床的各種數(shù)據(jù)，在Edge進行簡單的預測分析并與Cloud聯(lián)動，進行深度分析；

· 運動控制：不同廠家的機械臂進行精確協(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商的虛擬化PLC。

（2）功能增強

· 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)絡的自動配置（Plug&Play)，除標準的802.1 Qcc中的SRP動態(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。

3.2　邊緣計算平臺

邊緣計算TSN平臺系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：

邊緣計算TSN交換機規(guī)格參數(shù)：

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(jiān)控，性能管理，告警管理；

（2）網(wǎng)絡管理：L2 & L3網(wǎng)絡管理，L4~L7策略管理，WLAN/3G網(wǎng)絡接口管理，流量監(jiān)控及統(tǒng)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平臺集成。

3.4　Rethink Robotics機器人

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

（1）柔順、安全，友好的人機互動；

（2）無需編程-操作人員可手動引導機器人進行動作；

（3）充分勝任重復性的工作；

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

3.5　Ixia TSN測試仿真環(huán)境

實驗平臺采用Ixia測試環(huán)境，實現(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設備及功能結(jié)構(gòu)圖如下:

3.6　實驗平臺演進計劃

實驗平臺分兩個階段演進：

Phase-1：實現(xiàn)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)及測試臺的關(guān)系

4.1　ECC邊緣計算總體架構(gòu)

工業(yè)機器人預測維護方案匹配ECC邊緣計算總體架構(gòu)，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(tǒng)）。

6　實驗平臺使用者

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

摘自《自動化博覽》2018年8月刊