作为一种新兴的基于以太网的技术，时间敏感网络(TSN)在工业自动化领域引起了很多关注。“它承诺在一个网络上拥有多个基于ip的网络，并具有一定程度的时间同步和确定性，”美国能源部北美代表、体育博士罗伯特·特拉斯克(Robert Trask)解释说EtherCAT技术集团。
“TSN不是现场总线，”他强调。“它是一个功能工具箱。”具体来说，它是由电气和电子工程师协会(IEEE)开发和颁布的一套IEEE 802桥接标准。
Stephan Kehrer，高级建筑师百通他说，TSN有时被误解为“一种提供实时功能的全新通信技术”。Kehrer认为这不是一个完全正确的描述，因为TSN已经成为关键的工业网络技术，正是因为它不仅仅是一种实时通信的新技术。
是的，TSN确实为数据传输提供了一系列新功能——例如，保证带宽、实时保证和冗余特性。Kehrer解释说:“但所有这些都是对众所周知且广泛建立的通信技术的增强，即根据电气和电子工程师协会(IEEE) 802.3和IEEE 802.1的以太网。”
一旦所有规范都被开发和颁布，TSN将成为一个独立于供应商的标准，允许时间协调和常规流量在以太网上共存。它承诺将信息技术(It)和操作技术(OT)的世界结合到一个融合的网络上。
它将通过克服一直禁止It和OT通信共享同一网络的障碍来实现这一目标。
“传统的IT网络不能为关键过程的实时控制提供必要的确定性，比如运动控制，”Profinet的高级专家Gunnar Lessmann解释说PhoenixContact美国。传统的OT网络无法为视觉摄像机等应用提供必要的带宽。”
TSN汇集了工业物联网(IIoT)所需的带宽和确定性。“网络上的设备可以与PLC实时通信，并且周期短，”Lessmann说。“与此同时，它们可以与多个并行IT应用程序一起运行，例如pc、数据分析或人工智能图像识别。”
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TSN起源于音频/视频桥接(AVB)标准，用于在以太网上传输音频、视频和其他实时内容。“这为以太网扩展为我们现在所说的TSN奠定了基础，”华为技术营销总监汤姆•温加特纳(Tom Weingartner)表示北美的Profibus和ProfinetInternational (PI)。
该标准发展的下一个重要里程碑是2012年IEEE成立了TSN任务组。Weingartner说:“这个小组在接下来的几年里整理了一系列规范，我们现在称之为TSN工具箱。”
该工具箱由IEEE 802.1Q 2018和802.1AS-2020标准组成。博世力士乐公司的托马斯•布兰德说:“IEEE 802.1标准定义了以太网网络中的时间同步、流量优先级和流量调度机制。”
“例如，IEEE 802.1 AS定义了大师级时钟，允许网络上的所有设备共享对时间的共同理解，并具有高精度-最终支持决定论，”CC-Link合作伙伴协会全球标准主管汤姆伯克补充说。
然后，IEEE 802.1 Qbv定义了一个时间感知调度器(TAS)，它本质上是一个基于传输时间对以太网帧进行优先级排序的门驱动程序。“当需要传输紧急循环数据时，TAS会暂时中断非紧急流量的传输，”Burke解释说。“因此，时间敏感的数据可以在为高优先级流量预留的时间段内传输。”
IEEE 802.1Qbv还通过基于帧长度的调度机制来优化带宽使用。“当调度程序接收到需要传输的消息时，会检查帧的总长度，”Burke说。“如果帧适合而不影响高优先级流量，调度程序就发送信息。”如果帧不合适，调度程序要么将消息排队，要么使用IEEE 802.1Qbu和IEEE 802.3br中的定义，将消息分成两部分传输(也称为帧抢占)。
除了调节带宽和保留时隙外，IEEE 802.1Qbv中的规则还控制通信路径的选择。“不止一条路径被定义来构建容错机制，”Burke说。“因此，延迟被最小化，不同的数据流量流可以毫无延迟地在网络上传输。”
这些TSN机制现在被整合到以太网芯片组中，以便使用这些芯片的自动化可以参与基于TSN的通信。以太网芯片的生产已经在进行中，在某些情况下，已经完成，莱斯曼在凤凰联络报道。“TSN需要在端点和交换机中提供必要的硬件支持，”他补充道。“这意味着需要新的设备和开关。”
TSN的扩散速度将取决于芯片制造商生产必要芯片和自动化供应商将其纳入设备的速度。
倍福EK1000 EtherCAT TSN耦合器扩展了EtherCAT在异构网络环境中的应用范围。资料来源:倍福自动化
虽然Qbv、Qbu和as这三个TSN核心规范已经颁布，但其他TSN规范仍在开发中。
EtherCAT技术集团的Trask报告说:“目前最大的问题是，对于配置tsn桥接网络没有达成一致的共识。”“尽管TSN本身独立于任何特定的供应商，但目前的TSN实现在很大程度上依赖于供应商。”
部分原因是，随着IEEE发布核心802.1标准，TSN也在不断发展。
“很明显，我们需要一种方法将TSN应用于不同垂直市场的各种用例，”PI的weinggartner回忆道。这种实现导致了一系列概要文件的开发，这些概要文件定义了如何将TSN应用于那些用例。工业自动化的IEC/IEEE 60802配置文件就是一个例子。其他例子包括用于汽车工业的IEEE 802.1 dg和用于航空航天的802.1 DP。
“这样想，”Weingartner建议。“TSN规范告诉我们TSN是什么，这样我们就可以构建芯片和软件。TSN配置文件告诉我们如何在特定市场中使用TSN，因此我们可以为特定应用构建电路板和系统。”
TSN已经成熟到一些支持TSN的设备已经开始出现，并且组织能够展示概念证明。例如，在去年6月的德国汉诺威工业博览会上，PI展示了一套通过TSN支持Profinet的工业设备。演示突出了802.1AS时间同步和802.1Q抢占以千兆速度运行。Weingartner说:“每种解决方案都使用不同的芯片和软件，以及支持TSN的Profinet堆栈。”
百通山猫铁路交换机促进了IT和OT的融合。由于TSN，通信可以发生在多达三个阶段，每个阶段都可以独立于其他阶段进行控制或其他业务。来源:百通
市场上已经有支持TSN的设备，其中包括来自Phoenix Contact的Managed TSN Switch 2300。“这个开关可以配置为TSN机制，如帧抢占，透明地用于现有的Profinet应用程序，”Lessmann说。交换机可以帮助规划逐步迁移到完整的TSN，特别是因为Profi net允许在同一网络上使用传统设备和TSN设备。
百通公司最近发布了山猫铁路交换机，这是一款支持tsn的设备，其链路速度可高达2.5 Gbit/s。该设备支持两种时间同步机制，使其与棕地网络中的现有现场设备以及遵循IEC/IEEE 60802 TSN协议的工业自动化兼容。
Bobcat还支持具有两个或三个门入口的Time-Aware Shaper (IEEE 802.1Qbv)机制，可以选择实现两阶段或三阶段模型。三阶段模型促进了收敛。“例如，在前两个阶段，两个控制协议中的每一个都可以在时间上分开，而山猫在最后一个阶段仍然允许所有其他流量，”Kehrer说。任何可能破坏控制流量的流量都可以放在最后一个阶段。
对于控制器到控制器的通信，控制器制造商已经在制造提供TSN功能的电路板。博世力士乐的布兰德表示:“在我们看来，TSN本身并不是工业网络中的关键技术。”“相反，我们认为与TSN结合的独立于供应商的标准化应用协议是关键技术。”
对于一个标准化的协议，博世力士乐正在支持OPC UA FX(统一架构字段交换)规范。OPC基金会已经向其成员发布了第一个版本以供审查，因此Brandl预计该协议将很快公布。
同时，新的力士乐ctrlX核心控制平台带有支持tsn的以太网端口，并支持OPC UA发布/订阅通信。布兰德说:“我们建议在此基础上，从独立于供应商的控制对控制通信开始。”TSN和实时通信能力将遵循OPC UA FX规范。”这些增强功能将在软件更新中推出。
你真的需要TSN吗?
TSN是许多工业需要的技术。但这并不是每个工业以太网都需要的。
TSN的一个限制是，它的部署可能非常昂贵和复杂。“当有许多节点时，因此级联TSN桥，TSN遭受NP[不确定性多项式时间]完备性，其中复杂性随着连接数量的增加而飙升，”Trask说。“每个流需要两个TSN连接。最小化流的数量是成功实现TSN的唯一希望。”
EK1000 EtherCAT TSN耦合器可以帮助实现这一点Beckhoff自动化。该耦合器利用EtherCAT的能力，在一个以太网帧中携带许多设备的数据，因此，在一个TSN流中。
“TSN可用于将以太网帧路由到EK1000，然后与另一端的许多其他设备通信，”Trask解释说。“拥有很少的流极大地简化了TSN网络的配置，这是任何真正的TSN在现场成功的基础。”
短期内缺乏这样的设备可能意味着成本和复杂性可能会限制TSN在机器自动化和离散部件制造方面的发展——至少目前如此。这些应用通常需要极快的响应、协调的行动，或者TSN所促进的两者兼而有之。
另一方面，过程控制回路的动作通常要慢得多。“因此，对于过程自动化中的绝大多数控制应用，不需要TSN，因为控制回路的速度很容易用标准以太网处理，”市场总监Paul Sereiko说FieldComm集团是一个过程自动化的标准开发组织。
即使在工厂和过程自动化相结合的工厂中，如果有足够的带宽用于非tsn流量，也应该如此。Sereiko说:“只要这个带宽是可用的，过程仪器就不需要负担TSN设备固有的成本和增加的配置复杂性。”
