采用时间敏感网络 (TSN) 实现自动化系统

发布日期: 03/13/2020  

最后更新日期: 03/13/2020

使用英特尔 TSN 产品创建可扩展的解决方案来改善工业系统的及时行为

物联网与工业 4.0

物联网 (IoT) 技术通过重塑制造业所有领域的系统架构,正在推动被称为第四次工业革命的工业 4.0 变革。这一变革使制造商能够优化他们的流程、创造新的收入来源并扩展他们的商业模式。然而,工业 4.0 变革带来了新的挑战,需要各种制造商(食品和饮料行业、石油和天然气、公用事业供应商等)和工业设备供应商(原始设备制造商和原始设计制造商)改进现有的实时计算能力、时间矢量同步(时间同步)和跨设备的时效性。例如,下一代自动化控制器必须并行处理视频流和控制流量等各种工作负载,在一台机器上提供深度学习能力,并同时与工厂网络中的其他控制器及时通信。本文面向开发人员、原始设备制造商和希望用时间敏感网络 (TSN) 设计产品的原始设计制造商。

来自英特尔的 TSN 与实时计算

那些同时面临机械臂和运动控制器等工业应用的时间同步(协调事件)和及时性(及时事件)挑战的开发人员,可以使用 TSN 与英特尔® 架构的实时功能来同步设备网络,以提高工业系统的及时行为。与现有的实时以太网协议相比,将 TSN 与英特尔® 架构的实时特性相结合,可以让客户精确控制对时间敏感的周期。

TSN 是一系列 IEEE 标准,定义了时间敏感数据如何通过网络进行传输的协议。英特尔® 架构的实时功能,包括缓存分配技术 (CAT)、PCIe PTM(精密时间管理)等,可帮助优化数据包的处理。TSN 定义了时间同步和时效性规则,确保在系统之间合理高效地传输数据,而英特尔® 架构上的实时功能可在系统中提供这些矢量。

这两个矢量可以相互补充,以提供工业系统所需的确定性水平,增强时间同步(例如,对齐音频和视频帧或机器人手臂一致移动)以及时效性(及时、可预测的行为)。

以太网实时应用的行业标准

从历史上看,工业通信系统已经利用了 CAN*、Profibus* 和 Modbus* 等实时协议。随着工业应用发展到需要高速通信的阶段,在过去的二十年里,对基于以太网的实时通信的推动有所增加。

然而,以太网的标准规范 IEEE 802.3 是非确定性的,因此不适用于需要一定程度确定性(在规定时间里作出响应的能力)的实时应用。对于围绕以太网集成实时元素的需求,导致了许多不同的工业以太网标准的开发制定,例如 PROFINET*、EtherCAT*、Sercos*、EtherNet/IP*、CCLink-IE*、Modbus TCP* 和 Ethernet PowerLink*。

这些标准具有相似的要求和细分市场,但实施和生态系统不同。这些标准中的大多数都有一个由推动每个标准制定的主要市场参与者指导的母组织。当这样的工厂运营者购买 PLC(基于 PROFINET 标准)时,通常会要求他们在 PROFINET 总线上安装其他 PLC,以实现工厂连接,但也要求工厂运营者从支持 PROFINET 的供应商处购买配件。因此,制造商通常拥有专有的解决方案,工业价值链的利益相关者很难就特定技术达成一致意见。同时,最终用户和设备制造商也面临着必须评估多种解决方案的问题。为了应对这些挑战,IEEE 802.1 工作组开发了 TSN 来实现以太网上的及时通信。

时间敏感网络 (TSN)

为了使工业网络之间的及时通信标准化,TSN 定义了一组关于如何通过以太网传输时间敏感数据的标准。传统上,信息技术 (IT) 控制着制造设施中与计算机和数据相关的网络流量,而运营技术 (OT) 控制工业控制系统运行的网络流量。OT 和 IT 通常是具有不同目标和要求的独立网络。OT 建立并维护具有物理影响的控制流程,例如制造车间和生产环境,而 IT 创建、传输、存储数据并确保其安全。

TSN 使这些 OT 和 IT 基础设施的融合能够跨网络共享,使时间敏感流量(保证交付)能够与尽力交付流量(“非保证”交付)共存。当前许多满足这些要求的解决方案都基于控制层次结构,其中,创建并优化了多个刚性总线层来满足特定任务需求。每一层都有不同级别的延迟、带宽和服务质量 (QoS),从而使互操作性非常困难,而灵活的数据连接变更几乎是不可能的。由于工业系统之间的相互依赖性更强,TSN 可以在实现自动化组件之间的精确协作方面发挥重要作用,并为工厂提供可互操作和可扩展的解决方案。例如,考虑航空业,许多供应商经常合作为最终客户提供最终解决方案。

图 1:OSI 层

迁移到基于以太网的通信协议,可提高带宽,降低线路复杂度并降低成本。通用网络层为物联网创新带来更大的开放性。如图 1 所示,TSN 的功能集成在开放系统互连 (OSI) 模型的数据链路层(第 2 层)中。为了封装 TSN 功能,数据链路层增强了处理传输错误、规范数据流的机制,并为网络层提供了良好定义的接口。TSN 可用于传输不同的高级工业协议,例如 OPC 统一架构 (OPC UA),这是一种由 OPC 基金会开发的用于工业自动化的机器对机器通信协议。此外,图 1 显示了具有不同工业自动化协议的 OSI 模型,这些协议使用相同的基础设施。

TSN 满足了各种需求,例如可靠性、有限低延迟、时间同步和资源管理。这些功能是通过 TSN 标准(例如,IEEE 802.1AS、IEEE 802.1Qbv、“调度流量增强”等)实现的,客户可以根据自己的需要确定实施哪些标准。

TSN 组件与关键 IEEE 标准

图 2 显示了 TSN 的关键组件:时间同步、流量调度和系统配置。以下部分描述了这些组件,并重点介绍了其中的主要 TSN 标准。TSN 标准正在不断演化,因此请查看最新的 IEEE 文档以获取最新信息。以下一些标准现在是 IEEE 802.1Q-2018 规范的一部分。

时间同步

IEEE 802.1AS

实时相互通信的工业系统需要对时间有共同的理解,以便就纠正措施达成一致,识别彼此的状态并共同合作。

例如,在具有多个系统的高速输送机应用中,包装好的组件(例如罐头食品)沿着输送带以恒定速度行进。此示例中的系统依靠时间同步来正确处理有缺陷的产品。第一个系统检测每个组件的存在,分析其缺陷,然后在第二个系统中更新该组件的状态。根据这些输入,第二个系统可以在准确的时间采取行动(快速决定通过或拒绝组件)。随着工业系统间的互联变得越更加密切,对时间的共同理解的需求就变得越来越重要。

2002 年,IEEE 1588-2002 标准被创建,以定义精确时间协议 (PTP),用于在整个网络中同步时钟。PTP 设备通过定义时钟主机选择、协商算法、时钟速率匹配和调整机制,交换以太网消息,从而将网络节点同步到公共时间基准。IEEE 802.1AS 项目针对 TSN 创建了 IEEE 1588 PTP 同步协议的配置文件。此配置文件将启用不同 TSN 设备之间的时钟同步兼容性。802.1AS 还解决了对容错和多个活动同步主机的支持。

图 2: 时间敏感网络的组件

Linux 时间同步软件示例

Linux PTP* 项目是 IEEE 1588 标准中定义的精确定时协议 (PTP) 的软件实现。它允许客户利用 Linux 应用程序编程接口 (API) 固有的灵活性。Linux PTP 是免费的,可以在 Linux PTP 项目下载。

IEEE 802.1AS 同步取决于传入和传出消息的准确时间戳。属于同步时间的守护进程的每个传入和传出数据包都由支持 802.1AS 的 NIC 打上时间戳。PCIe* 设备可以进一步使用 PCIe PTM 工程变更通知 (ECN) 来改进 PCIe 设备的时间同步功能。

流量调度

IEEE 802.1Qbv

流量调度允许不同的流量类别与同一网络上的竞争优先级流量共存。IEEE 802.1Qbv 和 IEEE 802.1Qbu 协同工作,以协助管理此类共存。为了说明这个概念,想象一个水力发电厂,有几个涡轮机将机械能转化为电能。连接到这些涡轮机的传感器监控速度和温度,并将这些数据点传输到中央系统,以观察涡轮机的健康状况。在中心
系统内,网络中产生的大量数据不仅来自 IT 流量(例如,电子邮件、应用程序),还来自传感器。在本例中,IEEE 802.1 Qbv 和 IEEE 802.1Qbu 可以优先考虑不同的流量类别,并实现让来自传感器的时间敏感数据通过网络路由到中心系统,以防止导致事故的错误,获得可操作的洞察力,例如不同电机流量之间的适当协调等。

采用 IEEE 802.1Qbv 的设备/系统可以按计划对 TSN 以太网帧进行优先级排序,而非 TSN 以太网帧(IT 流量)将在 TSN 帧周围尽最大努力进行传输。802.1Qbv 标准为每个端口定义了多达八个队列,用于转发流量,其中每个帧都根据 QoS 优先级分配给一个队列。为了控制队列流量流向启用 TSN 的交换机,该标准定义了一种时间感知整形器 (TAS) 机制,用于调节队列流量,防止在预定传输期间出现延迟。简而言之,每个队列前面的门在特定时间点打开,用于标准(非 TSN)以太网数据包上的时间敏感流量。

IEEE 802.1Qbu

IEEE 802.1 Qbu 停止传输长的非关键帧,以优先处理时间敏感的流量,从而解决传输阻塞问题。及时传输关键消息的一个主要挑战是共享同一网络的传统流量的存在,其中单个帧的长度可能为 1200 字节 (1.2 kB)。一旦数据包沿着线路传输,它将一路阻塞其他数据包的线路,直到该数据包到达终点。

为了解决这个问题,IEEE 定义了两个标准:IEEE 802.1Qbu 和 IEEE802.3br,以支持抢占优先处理。这些标准基于 802.1Qbv 中的 TAS 功能,允许设备中断非 TSN 以太网帧(通常是传统流量)的传输,以优先处理高优先级帧,同时允许稍后发送中断帧的剩余部分。

IEEE 802.1CB

本节开头描述的水力发电厂示例可能会有因电缆切断或设备故障而导致数据包丢失的风险。通过在发送方插入重复帧,然后在接收方丢弃这些重复帧,IEEE 802.1CB 可以帮助系统从丢失的以太网帧或单点故障中恢复。该标准通过网络在不同的路径上并行插入相同消息的冗余副本。传统上,传输控制协议 (TCP) 和生成树协议 (STP) 已经提供了这些功能。但是,这两种方法都不能保证确定性。

IEEE 802.1Qci

802.1Qci 通过将故障隔离到网络中的特定区域来防止出现故障或恶意端点和交换机。它在交换机的传入端口(转发引擎)起作用,以保护传出队列不被帧淹没。在此过程中,检查数据包以确保它们对应于交换机输入处的保留数据流。如果不是这种情况,那么数据包将被拒绝并过滤掉,从而阻止它被转发。这可以用来防止对 OSI 层模型第 2 层的攻击(参见图 1)。

系统配置

IEEE 802.1Qat 和 IEEE 802.1Qcc 是定义 TSN 网络系统配置的关键标准(另请参见)。图 4 显示了 TSN 网络的系统架构,突出显示了 TSN 的系统配置元素。在上述的水力发电厂示例中,整个网络组件(涡轮机、桥接器、控制器等)可以使用 IEEE 802.1Qat 相互传递其 QoS 要求,例如流量类别和数据速率。在传递 QoS 相关消息后,IEEE 802.1Qcc 提供了一个软件模型来配置这些组件以满足这些要求。

IEEE 802.1Qat

IEEE 802.1Qat 定义了流预留协议 (SRP),这是一种即插即用的配置机制,用于配置或修改流预留。流是从讲话者到一个或多个听众的单向数据流。

图 3: IEEE 802.1Qbv

IEEE 802.1Qcc

为了满足专业音频/视频以外的工业制造市场的需求,IEEE 802.1 TSN 任务组正在定义新的配置模型,其中第一个已在 IEEE 802.1Qcc 中指定。SRP 采用分布式配置方法,通过在整个网络中传播请求和响应来建立网络带宽预留。IEEE 802.1Qcc 添加了一个完全集中的配置模型,其中讲话者和听众将他们的流需求发送到集中式用户配置 (CUC) 实体。

通过了解应用程序的终端站流 QoS 要求,CUC 可以将这些要求传达给集中式网络配置 (CNC) 实体。了解整个网络的流要求后,CNC 执行计算以确定是否可以在启用 TSN 的网络中满足给定应用程序的流 QoS 要求以及如何满足这些要求。

总之,CUC 负责配置网络的“用户”(讲话者和听众),CNC 负责配置启用 TSN 的网络。

IEEE 802.1Qch

该修订规定了同步循环入队和队列排空过程、管理对象以及对现有协议的扩展,使网桥和终端站能够同步它们的帧传输,从而实现零拥塞损失和时间延迟。这使得无论网络拓扑如何,都可以轻松计算通过桥接网络的可预测延迟。这是对现有技术的改进,它简化了网络延迟确定,减少了传递抖动,并简化了跨桥接 LAN 的及时服务提供。IEEE 802.1Qch 根据流量类别收集数据包并在一个周期内转发它们。这种循环入队和队列排空过程为延迟提供了确定的上限,并支持符合其他 802.1 标准的时间控制通信。如果需要控制时序,但减少延迟并不是很重要,那么本质上,这是一种使用 TSN 的简单方法。

IEEE 802.1Q

IEEE 802.1Q 不是 TSN 标准,但它定义了用于启用 TSN 网桥配置的网桥管理对象;它使用多种数据建模语言(数据格式)来描述这些对象,例如管理信息库 (MIB) 和 YANG。该标准还假设使用网络管理协议,例如简单网络管理协议 (SNMP)、网络配置协议 (NETCONF) 和 RESTCONF 来远程配置网桥管理的对象。

IEEE 标准 标题 描述

IEEE 802.1AS,

IEEE 1588

定时与同步

定义精确同步自动化系统时钟的协议。

IEEE 802.1Qbv

增强

调度流量

使以太网帧能够按计划传输(保证),同时尽量传输 [非] 时间敏感帧(不保证)。每个帧都根据 QoS 优先级分配到一个队列。

IEEE 802.1Qbu

帧抢占优先处理

启用帧抢占优先处理来中断帧传输以支持高优先级帧。

IEEE 802.1CB

帧复制和消除,以确保可靠性

通过在发送方插入重复帧然后再丢弃重复帧,提供从 TSN 网络中恢复丢失的以太网帧或损坏的交换机的功能。

IEEE 802.1Qcc

增强和性能提升

支持更多流和改进的流特征描述。还包括对第 3 层流式传输以及用于路由和预留的 UNI(用户网络接口)的支持。

IEEE 802.1Qci

逐流过滤和监管

防止出现故障和/或恶意端点和交换机。检查数据包,确保它们与另一端保留的数据流匹配。

IEEE 802.1Qch

循环排队与转发

消除了由于网络拓扑结构和节点数量而导致的数据包延迟。根据特定的流量类别为每个交换机强制实施固定的数据包处理延迟。

表 1.关键 IEEE TSN 标准

图 4: TSN 系统架构(IEEE 802Qcc 规范)

工业制造 TSN 系统架构

TSN 网络可以有多个组件,具体取决于网络的复杂性。构成大多数 TSN 解决方案的四个主要组件包括:终端设备、网桥、CNC 和 CUC。图 4 粗略地描绘了一个典型的 TSN 系统架构。

终端设备

终端设备是运行需要及时通信的应用的源和目标组件(也称为讲话者和听众)。

桥接

网桥是基于 TSN 标准调度和传输以太网帧的网络交换机。

CNC

CNC 是代表 TSN 应用(用户)配置网络资源的集中式组件。它计算网络调度情况并将这些参数分配给基础设施组件(以太网交换机)。CNC 应用由 TSN 桥的供应商提供

CUC

CUC 发现和配置终端站中的应用(用户)资源。它与 CNC 交换信息,以代表其终端站配置 TSN 功能

利用 TSN 的用例

TSN 标准推动了各种工业制造市场的多个物联网用例,而这些用例可以受益于通过该技术实现的时间同步和有限延迟。TSN 创建了一个系统,其中智能、超连接设备和制造机器、传输系统以及电网的基础设施将嵌入传感处理、控制和分析功能。在下方的用例中,我们重点介绍了有望从 TSN 实施中获得价值的关键工业制造细分市场。

工业自动化

工业自动化应用(运动控制、机器对机器 (M2M) 通信、机器人技术等)使用 TSN 来改进时间敏感流程。例如,TSN 可用于控制高速运动过程,例如可再生能源行业中的电压/电流调节。其他制造示例包括包装消费品和电子元件,其中的 IEEE 802.1AS 等标准可以在机器人在供应链层运动时更好地帮助它们同步时间。

TSN 可以帮助改善工厂机能,例如质量控制、预测性维护和生产流程监控。借助实施这些标准,制造商可帮助其工业自动化应用及时处理原始数据,减少延迟,并为先进制造工艺(其中数据是灵活的,并且在控制系统的各层之间共享)提供基础。

以下小节重点介绍了为了解决工业自动化挑战,TSN 可用于哪些用例:运动控制、机器人技术和机器对机器通信。

运动控制

运动控制应用具有严格的延迟性要求,以便确保实时数据传输能够支持工作负载需求。运动控制跨越各种工业细分市场(离散工业、流程行业、电力工业等),并支持 PLC 控制器等专用应用。其他用例包括控制机械设备(液压泵、线性驱动器或电动电机)的速度或位置。随着自动化工业整合其运营,运动控制器需要处理更多的工作负载,从而导致对工厂不同层级之间带宽和信息透明度的需求增加。

例如,下一代 PLC 机器要求响应时间在低微秒范围内。TSN 的开发是为了适应这些发展,代表了可靠和标准化工业通信技术发展的下一步。TSN 标准(如 802.1Qbv)支持 QoS 规范,使时间敏感的流量能够有效地在网络中导航。根据一份市场研究报告,预计到 2022 年运动控制市场的价值将达到 228.4 亿美元。这种采用的主要驱动力将是金属和机械制造,因为行业领导者希望在提高产量的同时提高速度和准确性。

机器人

工业机器人是一种可编程的机械设备,用于代替人以高精度执行危险或重复性任务。根据操作环境,工业机器人可分为固定式(机械臂)、移动式(自主导引车)和协作式(拾放机器人)。机器人技术的一个关键挑战是缺乏标准的通信协议。机器人制造商必须支持许多定制协议,这会导致集成次数和成本的增加。由于现代机器人技术将人工智能 (AI)、机器视觉和预测性维护集成到一个系统中,因此需要传感器和执行器来实时传输高带宽数据。一种常见的解决方案是使用特定通道进行实时控制(例如 EtherCAT 和 PROFINET),同时使用单独通道实现更高带宽通信 (TCP/UDP)。对于产生高带宽流量(100 MB/s 到 1 GB/s)的应用,使用两个单独的通信通道,效率会变低。TSN 为高带宽流量和实时控制流量提供共享通信通道。

机器对机器 (M2M) 通信

机器对机器通信(无需人工干预的两台机器进行通信)正在重塑制造业,它通过使数据能够在不同的控制和分析应用之间共享,从而获得卓越的运营效率。TSN 通过连接以前未连接的专有控制器来增强机器对机器通信。这是经由通过支持 TSN 的交换机连接的 TSN 机器网络(兼容 TSN 的端点)实现的。机器对机器通信可以通过蜂窝点对点连接实现设备的远程管理和操作。图 5 显示了一个生产单元,其中一个监控 PLC 协调四台不同 TSN 机器之间的通信。通过中央配置机制,IEEE 802.1Qcc 支持管理不同的组件并为它们之间的通信定义标准 UNI。机器对机器通信的另一个例子是 PLC 与其他控制器、传送带和其他控制设备(在同一网络层)进行通信,以调节或监控产品的生产。

图 5: 生产单元

电力与能源

通信网络在生产工厂的电力和能源应用的信息和数据交换方面发挥着重要作用。变电站是这些网络的主要组成部分。变电站通常是电力系统的许多子站之一。变电站有很多功能;他们控制和监控开关场,记录数据,并通过监控保护电力设备。现代变电站通过 IEC 61850 进行通信,这是一种变电站通信标准。引入冗余措施(并行冗余协议和高可用性无缝冗余)可以防止时间敏感流量的数据丢失。然而,冗余措施不足以保证数据的按时交付。即使在 IEC 61850 网络中,变电站内的单个事件和数据传输也会大大增加网络流量。

图 6: 通用井场控制器

考虑到变电站内的大量同时通信,带宽的可用性变得至关重要。公用事业公司(例如亚利桑那州的 Salt River Project(盐河项目)*)面临的挑战,是在网络拥塞的情况下确保关键数据流的网络可用性。TSN 通过在网络层提供及时、可靠和稳健的通信来解决这个问题,并在管理层允许各种高层协议(OPC-UA、PROFINET、EtherCAT 等)。为了优化性能和降低生产成本,TSN 还可以为系统用户提供基于云的服务,以访问来自发电厂(例如涡轮机)的实时数据。

石油和天然气

工业以太网被用作通信标准,用于石油勘探和生产的监控系统。以太网在石油生产的每一步都必不可少 - 上游、中游和下游。通过为地面生产设施相关的过程和控制网络提供及时的通信,TSN 可以在实现石油和天然气行业的实时应用
方面发挥重要作用。石油和天然气设施需要可靠、强健和高容量的通信网络,这些网络可以在关键和恶劣的环境条件下跨广阔的地理区域运行。

图 6 显示通用井场控制器 (UWC),这是一项行业计划,目前使用支持 TSN 的控制软件实现闭环控制。英特尔和 ExxonMobil* 正在使用支持 TSN 的现成硬件以及来自多个供应商的开源软件来安全地监控和控制陆上生产井和地面生产设施。

来自英特尔的 TSN 产品

英特尔提供一系列 TSN 产品,其中包括离散式和集成式以太网控制器以及 FPGA。为了向客户介绍 TSN,英特尔在各个站点建立了测试平台(使用英特尔® Ethernet Controller I210 和英特尔® FPGA),用以展示 TSN 标准(如 IEEE 802.1Qbv)的实施。英特尔还与 Avnu Alliance*、工业互联网联盟 (IIC)* 和国际电工委员会 (IEC)* 等开放联盟管理的生态系统合作,定义这些标准以解决工业生态系统的痛点。

英特尔® 以太网控制器 I210

英特尔® Ethernet Controller I210 是用于实时以太网应用的离散网络适配器,可用作 TSN 端点。它支持工业应用的 IEEE802.1AS 和 IEEE 802.1Qbv(通过 TSN 参考软件)等 TSN 标准。TSN 参考软件是一款基于 C 的应用程序,它演示了如何使用“tc”实用程序配置 TSN。

该网络适配器可以支持高达 1 Gb/s 的速度,从系统内存 (DRAM) 中预取以太网帧(在其指定的传输时间之前),并将此数据存储在传输缓冲区中。网络适配器还支持启动时间,这是一个处理以太网数据包的概念,可以指定可以传输数据包的确切时间。开发人员可以使用启动时间来减少传输以太网帧的不规则性。有兴趣测试 TSN 解决方案的制造商可以将此硬件添加到基板中,开始为其工厂评估 TSN。I210 控制器还支持 Qav,这是一种为特定流分配一定数量带宽的方法。有关更多详细信息,请查看英特尔® Ethernet Controller I210 数据表的数据资料。

开源计划

英特尔通过开发可供需要及时传输 (Tx) 预定数据包的应用程序使用的内核接口来为 Linux 项目* 做出贡献。这些内核接口包括新组件、最早的 TxTime 优先 (ETF) 调度器 (qdisc) 和时间感知优先级整形器 (TAPRIO) 调度器。此外,英特尔还支持 PREEMPT-RT 补丁,这是实时应用的基本要求。

PREEMPT-RT- 

对于 Linux,标准内核不提供实时功能。但是,借助实时抢占优先处理补丁集 (PREEMPT-RT),获得实时计算能力是有可能的。PREEMPT-RT 补丁尽量减少不可抢占优先处理的内核代码的数量(另请参见)。主要好处是可以使用标准的 Linux 工具和库,而无需特定的实时 API。此外,由于 Linux 被广泛使用和支持,这有助于采用新技术和功能保持操作系统更新,而在较小的项目中,由于资源限制,这通常会是一个常见的问题。PREMPT_RT 正在被上行到 5.x 内核中。大多数补丁可以通过配置更改来启用(请参阅“完全抢占式内核”配置)。

图 7: Linux* 网络堆栈

ETF: 该算法为每个传输队列提供基于时间的调度。它允许应用程序控制数据包从流量控制层出列到以太网控制器的瞬间。最早的 TxTime First (ETF) qdisc 为 TSN 应用程序提供了设置精确传输时间的能力。顾名思义,它将在内部维护从所有参与的 TSN 应用程序接收到的数据包的顺序,并在数据包传输时间之前将数据包发送到硬件。这种调度策略公开了一个称为“启动时间”的特性,可以为 TSN 应用程序中的流量指定准确的传输时间。它还支持将数据包卸载到硬件(如果 NIC 支持的话),从而提供更高的准确性。

TAPRIO: 该算法根据预先生成的时间顺序调度流量。TAPRIO qdisc 配置一系列门状态,其中每个门状态允许传出流量(用于流量类别的子集)通过,允许网络管理员配置流量类别的时间表。

英特尔® FPGA

为了加快支持 TSN 的系统的上市时间,英特尔还在推动基于英特尔® FPGA 的 TSN 端点和交换机开发。原始设备制造商、原始设计制造商和工业设备制造商可以率先使用英特尔® FPGA,从而提高他们的投资回报率,并使他们的产品适用于工业物联网。随着新的 TSN 标准获得批准或现有标准发生变化,开发人员可以快速重新配置英特尔® FPGA,从而确保设备支持最新的 TSN 功能。

在用于工业系统的英特尔® FPGA 上实施 TSN 的理由包括

  • 基于英特尔® FPGA 的设计可以重新编程: FPGA 可重新编程以适应不断发展的标准,使客户能够提高效率并扩展其当前解决方案的功能。
  • 整合和加速工作负载:网络流量的增长已为数据包的传输和扩展带来了挑战,系统内急需一套新的计算能力。为了提高系统性能,开发人员可以将 CPU 工作负载分载至英特尔® FPGA,以优化系统。
  • 灵活 I/O:英特尔® FPGA 允许在一个设备上实施 TSN 以及其他工业以太网协议。
  • 实现功能安全和安全性:由于 TSN 连接以前未连接的系统,因此应考虑功能安全和安全性。英特尔® FPGA、工具和 IP 已通过 IEC61508 安全标准认证。

Hitachi* TSN 测试平台

为了突出 TSN 的实用性,英特尔正与 Hitachi* 合作探索 TSN 技术在 Hitachi 下一代产品中的应用。英特尔和 Hitachi 正在共同开发 TSN 测试平台,以支持 Hitachi 的技术要求,其中包括实时计算和分析工作负载。TSN 测试平台是两个自动化控制器的基本原型,它们相互通信以展示 TSN 功能和供应商互操作性。

图 8 显示了 TSN 测试平台的简单设置,其中,有两个基于英特尔® Ethernet Controller I210 的 TSN 端点通过 Cyclone® V FPGA 进行连接,用以演示实时通信。该测试平台包含多个组件,如用于增强 TSN 功能的实时 PREEMPT-RT 补丁和包含英特尔技术支持的参考软件。

采用 TSN

采用 TSN 是一个循序渐进的过程,因为更新工厂的基础设施通常既复杂又昂贵。英特尔提供了一套产品(例如网络适配器、FPGA 和下一代产品),可以帮助客户采用 TSN。实施 TSN 的决定可能取决于项目是绿地还是棕地。

“棕地”一词是指具有现有基础设施的项目。在这类情况下,英特尔® Ethernet Controller I210 可以插入客户的基板设计中,使终端设备符合 IEEE 802.1AS 标准;这使客户能够经济高效地评估 TSN。为了在网络中连接兼容 TSN 的设备,客户还可以使用英特尔® FPGA 的桥接(交换机)功能。客户还可以与开发了将 TSN 网络连接到非 TSN 网络的代理功能的供应商合作,为棕地项目评估 TSN。打算保留其原始制造基础设施和应用的客户(例如 PROFINET* 用户)可以使用此代理功能。但是,这可能会增加运营支出方面的开销。就在工厂中实施技术的机会而言,棕地项目与绿地项目有很大不同。

“绿地”一词是指客户正在开发新基础设施的项目。对于这样的机会,英特尔的下一代产品不仅提供 TSN 功能,还包括多种其他功能,如实时计算能力和带内纠错代码内存。使用下一代产品,客户能够以更低的 BOM 成本获得更多功能,而产品则可用于多种应用。例如,机器人应用需要实时能力,但对于某些机器人类型来说,如人类交互的协作机器人,功能安全性至关重。

英特尔还计划提供 Linux* Yocto 等开发人员工具,具体通过 PREEMPT-RT 内核补丁以及支持标准内核 TSN API 来实现。此外,英特尔还计划为 TSN 中间件堆栈提供参考软件:OPC-UA (PubSub)、Linuxptp(802.1AS、1588)、演示应用程序等。英特尔还计划提供一个软件工具包,使客户能够针对实时工作负载配置平台,而无需客户了解底层平台的细节。这些功能为客户提供了广泛的能力,让他们能够设计绿地项目以及减少开发时间和上市时间。

英特尔® FPGA 进一步提供了在绿地项目中用作端点或交换机的灵活性。此外,各种现成的基于英特尔® FPGA 的产品(可通过英特尔的合作伙伴获得)为速度、实施 TSN 标准和网络软件包提供了多种选择。随着这些标准的演化发展,英特尔® FPGA 可以快速重新配置,以确保设备支持最新的 TSN 功能,从而让客户充分受益于 TSN 功能。

总结

市场研究表明, 随着 TSN 驱动工厂运营效率的提升,它将成为未来十年实时连接的主导技术。TSN 可以支持 1 Gb/s 或 5 Gb/s 等高速传输速率,与通常定义为 100 Mb/s 的典型传统工业以太网网络相比,这是关键优势。

开发人员可以开始使用 ETF 和 TAPRIO 来改进需要实时通信的应用。鼓励原始产品制造商/原始设计制造商的产品经理开始设计具有 TSN 以及高级抽象层(如 OPC-UA)的产品,以设计满足工业 4.0 模型需求的 TSN 合规产品。通过鼓励机器制造商和设备供应商(原始设备制造商和原始设计制造商)向他们提供兼容 TSN 的产品,制造企业可以更轻而易举地在其工厂中采用 TSN。然后,制造商可以使用这些兼容 TSN 的产品来评估其当前的应用程序或软件堆栈,从而使他们能够确定如何升级其基础设施。

英特尔已开始在各个英特尔地点建立 OT 测试平台,以便向客户介绍 TSN 及其优势。随着标准的制定,这些测试平台为客户了解 TSN 技术并将其应用于特定技术要求提供了理想的基础。此外,它们还可以影响这些标准的定义和发展。

将 TSN 标准与英特尔® 架构上的实时功能相结合,可以为客户提供灵活、可扩展的计算能力,以支持广泛的工业应用。客户可以联系其英特尔客户经理,讨论在其新一代产品中支持 TSN 的解决方案。

更多信息

  • 要使用英特尔产品进行设计,请访问资源设计中心
  • 要了解基于英特尔® FPGA 的 TSN 实施,请访问此页

产品和性能信息

1

性能因用途、配置和其他因素而异。请访问 www.Intel.cn/PerformanceIndex 了解更多信息。