自動化領域的TSN: 我們處在什麼階段?

作者: ADI 系統應用工程師Volker E. Goller

當前從事工業通訊的人士都面對著時間敏感型網路(TSN)的議題。TSN勢不可擋; 唯一有待釐清的,只是它何時會來,以及會以什麼形式到來。然而到目前為止,各界對於TSN對工業通訊協定有何優勢仍沒有明確的認知。

歷史

乙太網路在1980年代引進辦公室,由於其高吞吐量(以當時而言)可達到驚人的10 Mbps,因此迅速廣受歡迎。但對於即時性應用而言,乙太網路就無法勝任,因為它採用多端點共用的共用線(party line)傳輸媒介。在辦公室環境中,高使用率往往會造成傳輸碰撞(collision)的狀況。

在其發展的下個階段,則是運用交換式網路來消弭碰撞。此外,透過服務品質(QoS)機制,乙太網路導入資料元(datagram)優先排程的機制。

對於工業應用而言,保證延遲尤其重要。儘管已經有QoS,運用在辦公室環境的標準乙太網路仍然只能提供保證到一定程度的延遲,特別是在網路高使用率的情況。

背後原因有很多,最主要的原因包括商用多埠交換器通常採用先儲存再轉送的策略,以及不可能保留頻寬。

圖1. 乙太網路訊框: 圖中和TSN資料流辨識有關的資料欄位都標上綠色

先儲存之後再轉送,意謂著交換器必須收到整個資料元然後才會轉送出去。這種方法對於交換器內部處理程序而言的確是有其優點,但卻也帶來許多潛在問題,進而對延遲和可靠度產生負面影響。

  • 資料元在經過交換器時,可能經歷長短不一的延遲,延遲時間依其長度而定。若交換器採疊接(cascad)模式連結,延遲效應就會被放大。
  • 由於交換器本身沒有無限的儲存容量,一旦出現網路過度使用(流量過高),交換器就會開始拒絕接收資料元; 這意謂著,資料元–就算被賦予較高的優先權- 也可能丟失。
  • 長資料元會堵住通訊埠相對較長的時間

交換器疊接一開始就對工業環境形成一項挑戰。除了IT領域採用的星狀拓撲,自動化領域經常會用到直線、環形、以及分支樹等拓撲。這些經過調適的拓撲大幅降低乙太網路佈線的需求與成本。因此在工業領域中,2埠交換器採用收到目的地址立即轉發的直接交換(cut-through)策略,並將它整合到各種現場裝置。直接交換意謂還沒收到整個資料元的內容就會轉發。

圖2. 拓撲.

此外,系統必須確保有足夠的頻寬(以及緩衝區空間)留給高優先權的資料元使用。標準乙太網路到目前為止還無法提供這樣的機制。

一體適用的萬靈丹: 工業乙太網路現況

由於傳統乙太網路無法針對頻寬保留提供足夠的功能,在2000年時,許多自動化專家開始發展自己的乙太網路延伸技術。然而他們採取的途徑差異極大。從以下各種途徑的介紹就能看出它們的差別:

  • 有些通訊協定採用乙太網路作為fieldbus的傳輸媒介。這些通訊協定聲稱能為自己完全控制乙太網路的傳輸媒介。典型TCP/IP通訊只能透過fieldbus(EtherCAT® 與POWERLINK®)或由fieldbus(Sercos)指派一個通道,以捎帶(piggyback)的方式進行傳輸。Fieldbus則牢牢掌握頻寬控制的權限。
  • 有些通訊協定透過乙太網路上的時間分割(time slicing)程序來確保頻寬保留。這裡就該提到PROFINET® IRT。IRT在能一條纜線上進行高確定性的即時資料傳輸,而在同一條纜線上也能進行軟性即時(soft real-time)或背景傳輸作業。這種環境中傳輸途徑必須有精準的時序模型,用來規劃時間分割。
  • 有些通訊協定以共用乙太網路線路為基礎。這些通訊協定採用QoS來支援住家、工廠、以及製程自動化等方面的應用。PROFINET RT與EtherNet/IP就是其中的例子。這些通訊協定受限於軟性即時(週期時間大於或等於1 ms)的範圍。

圖3. 時序模型: 實體層、纜線、以及交換器在資料傳輸過程中產生的延遲。
在時槽方法(包括PROFINET IRT與TSN時間感知形成器(TAS))中必須考量這點。

對於這些標準而言,需要特殊硬體支援,因此需要用到專用ASIC。由於PROFINET RT與EtherNet/IP®也是採用嵌入式2埠交換器與直接轉發機制,因此也面臨同樣的處境。高彈性硬體式多通訊協定解決方案,像是Analog Devices的fido5000就能妥善解決這項問題。

進入TSN

TSN這類符合IEEE 802.1規範的標準乙太網路延伸技術,突破過去面臨的各種限制,現在都已發展成熟。因此目前在ISO七層模型中有一個標準化layer 2分層,除了能和先前的乙太網路維持向上相容性,還擁有硬性即時(hard real-time)的通訊能力。透過802.1AS-rev,TSN還定義一種互通、統一的方法,用來在網路中針對分散時脈進行同步化。由於最佳狀態(best effort)通訊永遠都伴隨TSN出現,因此纜線共用的情境不僅適用於硬性即時應用,也適用於其他應用(像是網頁伺服器、SSH等)。這方面TSN和PROFINET IRT沒有差別,還提供相近的效能。

TSN新增的特性在於需要更全面的網路設定。集中化或去集中化組態都是可行的作法。兩種組態都被各界廣為探討與建置。兩種組態機制之間的互通性,則是未來發展的目標。

TSN在實務上有何優點?

最常見的答案,是針對更大規模的市場,業界還發展出許多更為低廉的網路介面。TSN未來還會運用在建築物自動化以及汽車產業。事實上,嵌入式TSN解決方案的市場預料將遠大於目前所有工業乙太網路解決方案的市場總和。

TSN勝過以往工業乙太網路的最大技術優勢在於其擴充性。不同於現有工業網路,TSN不是針對特定傳輸率進行定義。不論是100 Mbps、1 Gbps、10Mbps、或5 Gbps,TSN都一體適用。

此外,它還讓各種拓撲能更妥善地最佳化,因為能針對不同網段選用調適的資料傳輸率。不論是Gbps、100 Mbps、或10 Mbps,統一式layer 2—IEEE802.1/TSN—都適用。

統一的網路基礎設施亦能幫助負責安裝與維護網路的人員,因為拜TSN之賜,解決方案能運用在自動化以外的眾多領域:包括營造、加工、工廠自動化、以及能源輸送等。

這也引出下一個優點,也就是訓練方面。TSN已成為許多大學關注的議題,大多數是在研究階段。一些技職學校對這項議題也很感興趣。我們可以大膽推測TSN將成為包括工程師、技術人員、以及專才員工的基本知識。未來業者根本沒必要針對不同的fieldbus通訊協定重新訓練人員。

棕地翻建或現今通訊協定會演變成什麼狀況?

幾乎所有TSN相關的工作小組都不斷面臨一項課題:如何確保轉移至TSN以及為現有網路提供資源,像是各種在原有設施上翻建的棕地(Brownfield)應用。

圖4. 棕地(Brownfield): TSN 網段(segment)結合PROFINET與EtherCAT通訊協定

在所有層面,各界的焦點都放在讓用戶能輕易且順暢地轉移至TSN。可確定的是現有工業乙太網路通訊協定不會在一夜之間消失。相反地,任何目前使用PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、或類似工業乙太網路通訊協定的用戶,都能放心地推測未來10年內自己還能利用這些通訊協定來運行其網路,並繼續獲得支援以及更換零件。

所有工業乙太網路機構提供的模型,描述了現有工廠如何與新型TSN裝置協調運作。連結現有工業網路的介面是由閘道器(Sercos)以及一個耦合器(EtherCAT)構成,或者完全不使用任何特殊硬體(PROFINET RT)。其中PROFINET與EtherNet/IP 計畫將其完整通訊協定發展成TSN的layer 2分層。

這會讓逐步轉移至TSN網路的策略變得可行。

總結來說,TSN除了將出現在各種新安裝的網路環境,還會以島狀區(island)或網段(segment)的形態逐步導入現有網路。

然而隨著TSN崛起,工業乙太網路也出現新技術。OPC UA這個新傳輸協定發佈/訂閱模式與TSN的組合,已被各界視為傳統通訊協定的競爭對手。對於現場裝置的製造商而言,這意謂著,未來除了傳統工業乙太網路解決方案外,還必須支援TSN和各種新技術。

TSN與Analog Devices

Analog Devices在一年多前併購工業乙太網路領導廠商Innovasic,兩家企業的整合業已完成。在整併過程中,fido5000系列工業級2埠交換器也納編到Analog Devices的產品線。fido5000系列交換器支援所有相關工業乙太網路協定,並已支援TSN。

在fido5000的助力下,這些產品不僅讓用戶能轉移到TSN,還能立即著手規劃當前的各種需求(包括PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。另外OPC UA PUB/SUB也能透過fido5000實現。在fido5000的幫助下,TSN不僅將變成一種更新方案,還能針對現有系統進行規劃。

為此,fido5000系列經歷不斷的改良。未來除了推出因應Gb應用的新產品,10Mb/100Mb產品也會延續並針對客戶需求進行調適。

拜fido5000系列的彈性之賜,轉移到TSN的過程能可靠且高效率地推動。

TSN作為一項契機

TSN讓我們有機會為所有工業通訊建立一統化的基礎。TSN一旦推出,ISO七層模型中的第一、二、三層在工業領域進行統合。這也會讓擴充性與效能提升到全新的層次。

然而頂端分層的通訊是否會以此基礎進行標準化?是否會出現統合的OPC UA PUB/SUB? 這的確有可能。透過fido5000系列,使用者將能針對所有情境預作準備。


Author

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Volker Goller

Volker E. Goller is a systems applications engineer with Analog Devices and he has over 30 years of experience with a diverse set of industrial applications ranging from complex motion control and embedded sensors to time sensitive networking technology. A software developer by trade, Volker has developed a wide variety of communication protocols and stacks for wireless and wired applications while actively engaging in fielding new communication standards through his involvement in leading industry organizations.