从灰暗走向高光 :工业4.0通讯的新纪元

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

随着6月6日5G商用牌照的发放,中国5G的发展毫无意外地开始加速。中国移动2019年预计将投入192亿人民币,三大运营商预计今年建设8至9万个基站(对比一下,美国目前只有几千个)。相关数据表明,2026年ICT运营商5G的数字化收入预计将超过12000亿美元,其中约2340亿美元来自相应的垂直制造领域

全球知名咨询机构“罗兰贝格”在其《拥抱5G新世界》的产业报告中指出:5G通过强大的无线连接、边缘计算和网络切片技术,将助力无线自动化控制、工业云化机器人、预测性维护、柔性生产等行业突破,驱动工业4.0的真正落地,进一步推动未来工厂的诞生。然而,尽管在技术性能指标上5G可以承载工业网络不同的典型业务,但业界普遍认为5G工业应用仍然存在很多关键问题有待解决,包括:网络中断对于工厂设备和生产的影响是不可接受的,需要解决安全性和可靠性;传统生产设备的现场总线和数据采集设备兼容性存在很多问题,改造难度和成本高;针对工业应用场景的URLLC(超可靠、低时延通信)
0.5ms的上下行时延目标难以满足部分强时间敏感性工业应用的要求;等等。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

工业正在迎来美好的通讯时代,而工业4.0背后需要的通讯体系,也开始浮出水面。

如果说部署中的5G为工业智能画下未来的理想愿景,那么基于时间敏感网络改造大量应用于工业制造的以太网则已经就位,相关技术正在促成智能制造落地。ADI系统应用工程师Volker
在两年前曾撰文指出:“TSN势不可挡,而唯一有待确认的是什么时候到来以及以什么形式到来。”而今天,各种势头显示落地已经进入进行时。“通过与TSN特性相结合,ADI在工业网络边缘已经实现了最先进的现场设备通信解决方案。”
ADI中国区工业自动化行业市场部经理于常涛在前不久的一次行业交流活动中透露,他提及的先进现场设备通信解决方案是该公司支持多种以太网协议交换的fido5000系列交换平台。

01 工业互联网及其体系架构

工业4.0的新通讯

图片 1

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

工业4.0一开始定义了自身的顶层架构RAMI,它从三个维度对工业4.0进行了框架描述,代表了德国对工业4.0所进行的全局式思考。有了这个模型,各个企业尤其是中小企业,就可以在整个体系中寻找到自己的位置。这是一股从未有过的洪流交融,万物、人机、软硬、虚实都要连接,需要一种全新的通讯观,才能实现这种集成。从国外的工业巨头如西门子的实践来看,基本是按照这样的通讯框架进行全域构建。

无论是5G还是传统工业以太网改造都需要达到工厂间设备的苛刻性能要求。

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

然而,通讯作为工业4.0系统中至关重要的子系统,并不是只需要完成通讯系统的实时性能就可以——这很容易被误解是*重要的点。更大的挑战是,把通讯要求所涵盖的所有网络进行无缝的集成。这些网络包括从有严格确定性要求的就地控制网络,到工厂内部的运行操作管理网络,到企业生产的计划调度网络,并延伸到全球连接的跨企业的通信,以及基于网络通信的自组态和各类网络管理的集成。同时,需要制定不同以往的升级迁移、集成和维护,考虑与上下游企业的关联和连接可能性等复杂的实时策略。

从雷声大到雨声大,基于以太网的实时通信势在必行

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

要从底层的传感器传递到云端,数据需要有多样化的路径。从厂房地板,到企业高管天花板,一路穿越的网络和连接管道的数据,如何实现通讯的无缝集成,将成为一个*的现场挑战。

时间敏感网络是指IEEE 802.1工作组中的 TSN
任务组开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。该技术在初期就引起业界的重视,特别是近两年来这个曾经陌生的专业词汇在各种专业媒体上频繁出现,成为工业4.0山雨欲来前的“雷声阵阵”。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected
Industries and
Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

工业4.0正在呼唤一个全新的通讯局面,OPC UA和TSN应声而出。

而时间进入2019年,TSN在产业界则更多的听到落地的“雨声”:PROFINET最新规范V2.4版本发布,该规范最大亮点是实现了将TSN作为第二层的技术集成到PROFINET架构中的设定目标;新一代网络协议CC-Link
IE
TSN也差不多同期发布,在全球率先将千兆以太网带宽与TSN相结合,拓展了CC-Link
IE基于工业以太网实现企业从信息层到应用层纵向整合的先进通信技术;而在2019年汉诺威工业博览会上,众多产品演示解决方案都昭示着TSN正在掀起工业互联网的浪潮……

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

数字化工厂的通讯赢家

图片 2

两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

以往,工厂到处都是机器,它们挨着多年,但生成的信息却相互隔离,很少“交谈”,也很少被利用。然而在离散型工厂或过程自动化工厂中,信息交流有各种不同的流量类型和传输要求。自动化控制设备与工厂级系统和应用之间存在垂直通讯需求,而从控制器到控制器、从控制器到现场设备(例如执行器、传感器和驱动器)、输入和输出等则有水平通讯需求。以往,各种类型的现场总线和工业以太网支持这些不同的通讯需求,从而将流量划分到各个单独的网络上。这种数据“各自为政”的数据治理局面的形成固然有其历史的必然性,可是当前却正在成为制约万物互联的“枷锁”。

于常涛的主题演讲:ADI助力加速迈向工业4.0

三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

作为一种打造设备的工厂级世界语,OPC UA出现了。

随着各种智能化改造工程的推进,各种传感器节点与PLC之间的传统通信协议让位于各种版本的超高速以太网协议,为工厂操作技术基础设施与企业信息技术基础设施采用基于TSN的以太网高度集成创造了条件。最近几年,几乎所有TSN相关的工作小组都在解决一项课题:确保转移至TSN以及为现有网络提供资源,这将是像各种在原有设施上翻建一样。

四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

近几年来,开放平台通讯统一架构OPC
UA的标准发展速度很快,一路领跑。2017年底,德国机械制造协会VDMA与弗劳恩霍夫IOSB发布了针对中小型机械制造企业如何导入OPC
UA及其策略的导则。导则明确的强调,OPC
UA不是自动化实时通讯的另一个标准,而是一种为目前尚处于信息孤岛的设备之间建立附加通讯通道的工具,为不同生产厂商生产的成套装置、机械设备和部件之间提供一种统一的通讯方式。

事实上,业界已经基于TSN成功开发出符合IEEE
802.1的标准以太网扩展版本,成功地摆脱了过去的限制。TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同,TSN并不针对特定的传输速率进行定义,TSN可用于100
Mbps,也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5
Gbps。“为了支持这种扩展需求,ADI推出的fido5000以太网平台使系统能从任何一种以太网协议切换到另一种以太网协议,而无需重新设计硬件。”Roger表示。

图片 35G将成为未来工厂的中枢神经,为工业生产带来颠覆性的变化。

OPC
UA不是来取代现有的通讯协议,而是实现通讯进行统一对话的工具。换言之,这次来的不是抢地盘的,而是劝和使者。更重要的是,它是将设备从灰暗地带、甚至是至暗角落,带向一个高光时刻。从传感器到设备、到云端,那是一路凶险的火焰山。取经途中需要解决的问题包括:统一的语义、实时、大数据量传递、海量并发、异构数据。OPC
UA作为一种面向服务的架构SOA,为机械数据(诸如设备描述、测量数值、参数和控制变量)信息交换的标准化,成为西天取经的重要法宝。然而它只解决了上层问题,对于底层纷至沓来的数据,如同从山谷里杀出多个兵种的千军万马,网络体系如何招架?

硬核支持TSN,以太网协议交换方案布局工业未来

02 5G由浅入深赋能工业互联网

时间敏感网络TSN开始登场,它专门针对不同数据响应速度要求的特点,提供了一种网络弹性的保障机制。例如,在现代工厂控制中,既有大量实时数据的通讯与控制,也有许多监视器的监测,以及各种无线数据,使得现场的数据形成了拥挤的跑道,充满了大量结构化实时信息和非结构化信息等各种不同类型的数据,对数据同步的精度要求比较高。在控制器之间进行通讯时,可以利用TSN的功能按信息传输的优先级加以协调,从而在复杂的现场情况下保障各种通讯的协调一致性。

作为高性能工业信号链相关技术的关键提供商,ADI多年前就敏感捕捉到自动化客户对高度可靠的同步网络技术的需求,例如支持汽车制造工厂多组机器人在恶劣嘈杂的条件下井然有序地协同作业的应用环境。为此,ADI在2016年果断收购确定性以太网半导体和软件解决方案的领先供应商Innovasic,大力扩充公司确定性以太网技术和专业知识,为高度同步的工业自动化网络及工业物联网提供强大的实时连接。而彼时,IEEE正在制定全新的时间敏感型网络标准。

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

可以说,TSN搭建了一个数字世界的龟兔赛跑的新场地。这种龟兔同赛道的规则,不再是谁快谁慢,而是承认数据多样性的一种理性选择。

随着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议,成为ADI支持TSN应用的最强硬核技术方案。

工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此,工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。

目前,TSN已达到了实用所需的技术成熟度,具有TSN功能的网络组件、通讯处理器、软件和网络管理系统都已经面世。其实,TSN也并非全新的技术,其来源于AVB(Audio
Video
Bridging)音视频桥接,是由AVnu联盟组织所倡导开发的协议。AVB协议是为保障实现音频和视频数据提供时间同步的、低延迟的和保证带宽预留的流媒体功能。TSN是AVB的进化版,在原有规格的基础上扩大了标准的范围、功能和应用程序。在2017年,工业互联网联盟和Avnu联盟宣布联手,共同推动TSN开放标准设备的部署。这也意味着TSN正在工业领域得到广泛认可。

该SoC芯片面向工业以太网应用的实时以太网多协议交换机,能支持当今所有主要工业协议,利用fido5000现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求(PROFINET
IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交换机灵活的架构能够适应协议未来的变化,并且支持未来的协议及其他发展,借助fido5000还将使实现OPC
UA
PUB/SUB成为可能。“利用fido5000系列,用户能够为应对所有工业场景做好准备。”
Roger指出。

图片 41.
从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

这样一来,OPC
UA在上层,而TSN主要在下层,二者构成了地板与天花板之间的相互呼应。

图片 5

工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络,占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响,很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比,存在协议众多,标准缺失,难以互联互通等弊端。

TSN增强了以太网的功能,也使得其更适合于工业应用。即使在高网络负载条件下,TSN也能在机器和工厂之间实现更加强大和可靠的以太网通讯。这种可靠性使得汽车、机械工程等行业的自动化应用拥有显著优势。

fido5000交换机芯片解决主流以太网协议共存的关键问题。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

网站地图xml地图