工業(yè)領(lǐng)域正在不斷被IT技術(shù)所滲透，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)無處不在，麥肯錫報(bào)告顯示，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)未來市場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的總和，將達(dá)到3.7兆億美元。
2017年NI WEEK上，NI將自家平臺(tái)進(jìn)行了升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于TSN網(wǎng)絡(luò)的支持，并加大對(duì)TSN時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的推廣投入，NI認(rèn)為它將是構(gòu)建未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的必要網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
但美國(guó)記者也問到了筆者同樣好奇的問題，現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議眾多，為什么還需要TSN協(xié)議?
也是帶著這樣的好奇心我們采訪了，NI美國(guó)的工業(yè)測(cè)量事業(yè)部經(jīng)理，Kyle Voossen。他分析了現(xiàn)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的情況，并且從數(shù)據(jù)采集和控制的角度，分析了未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)化需要，介紹了NI產(chǎn)品在這方面做出的準(zhǔn)備。在Kyle眼中世界將再次發(fā)生改變，而這次將是機(jī)器與機(jī)器之間溝通的方式。
NI美國(guó)的工業(yè)測(cè)量事業(yè)部經(jīng)理Kyle Voossen
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)為什么需要TSN
所有的自動(dòng)化其實(shí)細(xì)分就是機(jī)器控制，以及系統(tǒng)成型后的物理測(cè)試，Kyle解釋。NI的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品中有控制系統(tǒng)平臺(tái)，也有數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，也就是我們所熟悉的compactRIO以及compactDAQ兩個(gè)平臺(tái)。
在一個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，其實(shí)也是由最上層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的服務(wù)器端與中層的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(compactDAQ)和控制平臺(tái)(PLC/compactRIO)再到最下層的傳感器層三者組成，控制和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)平臺(tái)則根據(jù)具體控制命令和測(cè)試測(cè)量的需要接駁不同類型的傳感器，傳感器與兩個(gè)平臺(tái)之間的溝通需要一種總線協(xié)議，這里可以是支持模擬量與數(shù)字量混合的HART，而數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和控制平臺(tái)設(shè)備之間的溝通又是一種協(xié)議，一般采用被廣泛接受的Profinet協(xié)議。最終控制數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)都要上傳到服務(wù)器端，進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，那么這一塊的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就可以是我們普通的以太網(wǎng)協(xié)議TCP/IP。
在三種網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行協(xié)作是一種挑戰(zhàn)，而帶寬的高效利用更是一種挑戰(zhàn)，如何能讓一個(gè)數(shù)據(jù)從下至上保持最大的同步，而保持?jǐn)?shù)據(jù)傳遞的實(shí)時(shí)性和確定性是未來“工業(yè)4.0”和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)施中需要面對(duì)的問題。
而在TSN網(wǎng)絡(luò)中完全可以解決，TSN其實(shí)不是數(shù)據(jù)總線，而是一個(gè)以太網(wǎng)的進(jìn)化標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)將帶來的是一場(chǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)化。
由于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式不是并行而是串行，發(fā)送端因?yàn)闆]有時(shí)間時(shí)序的控制，永遠(yuǎn)最大可能的發(fā)送數(shù)據(jù)，這就很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，帶寬資源被浪費(fèi)。
未來工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用中對(duì)控制命令和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)作提出了更高的要求，高數(shù)據(jù)量的傳輸中如果控制動(dòng)作指令出現(xiàn)延遲，后果則不堪設(shè)想。
非TSN網(wǎng)絡(luò)很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁擠
數(shù)據(jù)擁塞的后果導(dǎo)致賽道閘門動(dòng)作延遲，賽車飛出跑道
TSN的優(yōu)勢(shì)
10年前的測(cè)量可能是一個(gè)PC加上一個(gè)數(shù)采設(shè)備，通過USB接口來進(jìn)行數(shù)采，但是現(xiàn)在都在構(gòu)建分布式系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集將在各自的子系統(tǒng)中完成。數(shù)據(jù)在哪里產(chǎn)生就在哪里收集，TSN就好像當(dāng)年P(guān)C的USB接口。在分布式系統(tǒng)中TSN也有很多性能上的優(yōu)勢(shì)。具體是以下四點(diǎn)：
1. 同步性，分布式網(wǎng)絡(luò)本身可以是一個(gè)很大的系統(tǒng)，TSN有著非常好的網(wǎng)絡(luò)同步性，實(shí)現(xiàn)了亞微秒級(jí)的同步可以讓子系統(tǒng)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)輸送實(shí)現(xiàn)很好的協(xié)同。
2. 可靠性，由于對(duì)于時(shí)間時(shí)序的控制，意味著數(shù)據(jù)將永遠(yuǎn)能夠找到最佳通道，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，帶寬會(huì)被最大化的利用，這樣客戶的網(wǎng)絡(luò)投資利益也會(huì)最大化。
3. 數(shù)據(jù)的確定性和帶寬的冗余性，由時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了確定性的分配，每段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流會(huì)得到整理，一段時(shí)間內(nèi)傳輸特定的數(shù)據(jù)可以在傳輸后得到確認(rèn)，并且傳輸效率提高后網(wǎng)絡(luò)的冗余性也獲得了提高。
4. 組態(tài)更容易，優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使系統(tǒng)組態(tài)，調(diào)試變得更加容易，降低反復(fù)調(diào)試的概率。
NI的所有設(shè)備都會(huì)兼容這一標(biāo)準(zhǔn)，去年NI已經(jīng)將compactRIO控制器進(jìn)行了TSN網(wǎng)絡(luò)兼容升級(jí)，今年又再次升級(jí)了數(shù)據(jù)采集平臺(tái)compactDAQ。其他公司如思科的網(wǎng)關(guān)以及Intel的芯片都開始對(duì)其進(jìn)行了支持。很快也會(huì)看到所有的PLC控制器對(duì)TSN網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，這時(shí)機(jī)器就可以在這種新型的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行對(duì)話互聯(lián)。
其它工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)
TSN其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是所有協(xié)議的基礎(chǔ)。
現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)以太網(wǎng)和總線包括profinet ,ethernet/IP和modbus powerlink等協(xié)議，但由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤诓粩嗵岣?，現(xiàn)有協(xié)議在帶寬上顯得捉襟見肘。
從漢諾威得到的最新消息Profinet，ethernet/IP，以及opcUA等協(xié)議都已經(jīng)開始在向TSN遷移，TSN已經(jīng)作為支持這些協(xié)議的基礎(chǔ)。工業(yè)其實(shí)是一個(gè)更新進(jìn)步緩慢的產(chǎn)業(yè)，但是在TSN網(wǎng)絡(luò)上所有企業(yè)可以說進(jìn)步的非?？?。
NI的IIOT實(shí)驗(yàn)室也在與業(yè)界多家知名企業(yè)廣泛進(jìn)行合作來對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行支持，其中NI與思科作為IT技術(shù)提供者，博世，施耐德電氣，西克當(dāng)然也包括NI來提供硬件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)的目的也是能夠讓各家的產(chǎn)品之間實(shí)現(xiàn)更好的兼容，穩(wěn)定在TSN網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。
致力于開放標(biāo)準(zhǔn)的推廣
TSN其實(shí)是一個(gè)開放性的IEEE802.1的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并非NI一家所獨(dú)有，縱觀科技屆可以發(fā)現(xiàn)越是開放的標(biāo)準(zhǔn)越容易獲得成功，開放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)對(duì)NI和整個(gè)行業(yè)帶來巨大的效益，NI也一直致力于把商用領(lǐng)域的技術(shù)帶給專業(yè)用戶，如FPGA和PXI總線都是一個(gè)開放型技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，NI這次能把TSN這樣的開放技術(shù)帶給用戶，讓所有人都能夠在IIOT的技術(shù)浪潮的中獲得收益。NI與合作伙伴共同從現(xiàn)有的總線協(xié)議中學(xué)習(xí)技術(shù)，并不追求替換現(xiàn)存總線或者工業(yè)以太網(wǎng)，而是更多的是去豐富和兼容，畢竟沒有現(xiàn)有總線其實(shí)也無法去建立TSN，多方合作才能構(gòu)建一個(gè)IIOT的系統(tǒng)生態(tài)。cRIO也會(huì)逐步的更多的在這樣的生態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)，與現(xiàn)有的PLC相結(jié)合提高現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制能力，并與cDAQ結(jié)合形成更完美的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。
邊緣數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)
IIOT也帶動(dòng)了邊緣計(jì)算的興起，對(duì)產(chǎn)品的性能也提出了新的要求，NI根據(jù)不同應(yīng)用會(huì)有一個(gè)不同的處理情況，基本上40-50%的計(jì)算NI可以在邊緣端進(jìn)行處理，剩下的再收集到云端。
IIOT是一個(gè)不單純的環(huán)境，生產(chǎn)環(huán)境很多情況比較臟，噪音，震動(dòng)這些影響比較大，如何能夠保證這些因素不影響產(chǎn)品的測(cè)量結(jié)果是NI很早就已經(jīng)考慮到的問題。
NI的產(chǎn)品可以說在性能與堅(jiān)固性上做到了雙硬，其它的一些IPC數(shù)采類產(chǎn)品很難做到這樣的水平。
在性能方面，NI平臺(tái)已經(jīng)可以進(jìn)行納秒級(jí)運(yùn)算，數(shù)據(jù)采集和控制的效率相當(dāng)領(lǐng)先，另外從硬件平臺(tái)到軟件都提供了一個(gè)開放性的架構(gòu)，可以幫助用戶在不同的設(shè)備之間進(jìn)行通訊。
數(shù)據(jù)采集平臺(tái)也擁有完善的解決方案，可以根據(jù)用戶的需求，用帶隔離和帶調(diào)理的板卡與不同類型的傳感器相連接將數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。
堅(jiān)固耐用也是NI硬件產(chǎn)品的特點(diǎn)，提供-40到70攝氏度的寬工作溫度范圍，50g的抗沖擊性，5g的抗震性，足以應(yīng)付多種IIOT工作環(huán)境。
最后大量數(shù)據(jù)的采集上需要精確的同步功能，實(shí)時(shí)上傳到云端，這就又回到了實(shí)時(shí)性和確定性的話題，所以NI才要在每個(gè)產(chǎn)品中植入了TSN。
控制選擇PLC還是cRIO
最后Kyle也簡(jiǎn)單對(duì)比一下PLC與compatRIO，這兩者同屬控制器范疇，但cRIO的功能和運(yùn)算能力都要強(qiáng)大的多，可以實(shí)現(xiàn)更多復(fù)雜類控制，譬如激光，液壓等，電磁屏蔽的效果也會(huì)更好，如果對(duì)控制有更高的要求，可以選擇考慮cRIO，并結(jié)合NI compactDAQ數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，與TSN網(wǎng)絡(luò)打造一個(gè)全面基于NI的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，尤其在高速，高生產(chǎn)節(jié)拍產(chǎn)線當(dāng)中幫助產(chǎn)品提高生產(chǎn)良率，組態(tài)調(diào)試也會(huì)更加簡(jiǎn)單。
（轉(zhuǎn)載）
