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北京和利時系統工程有限公司 虞日躍，劉盈

機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所 劉丹

摘要：當前物聯網的發展缺乏統一標準化的互聯網規范，僅僅是將數據從物的前端通過采集后傳輸到后臺數據庫，然后一層層向上傳遞到各個應用層。那么，所有的業務模式都只會是一個個孤立的解決方案。本文提出了基于TSN的工業以太網標準，結合工業以太網的典型應用案例，為物聯網今后的發展提供一種新的建設思路。

關鍵詞：TSN（時間敏感網絡）；軸間同步；運動控制

1　實時工業以太網概述

目前，在工廠自動化設備的工業控制總線技術中存在著多種實時工業以太網，比如Ethernet/IP、PROFINET、SERCOSIII、CC-Link、POWERLINK、EtherCAT等，這些協議都是為了解決IEEE802.3中數據碰撞的機制，導致的不確定性的數據傳輸延遲。在標準以太網的基礎上修改或增加了一些特定的協議，以及采用了軟實時或硬實時的方法，以保證循環周期在1ms~100ms內不同級別的實時性和確定性。實時工業以太網主要應用在需要快速響應、確定時間周期的高速運轉的機械設備，如印刷機、折彎機、鋼鐵切割和各種機械手等。

2　實時工業以太網在運動控制產品中的應用

國內外做運動控制產品的公司，如英國的翠歐（Trio），國內的和利時，目前的運動控制產品，在采用總線方式的軸同步時，都是采用一個控制器帶多軸的控制方式。如和利時的MC100XX系列運動控制產品，采用的是EtherCAT或RTEX等ms級的實時總線技術。和利時MC系列運動控制器，在多線切割機中的應用案例。

多線切割是一種通過金屬絲的高速往復運動，將藍寶石等高硬脆性材料一次同時切割為數百片薄片的一種新型切割加工方法，工作原理如圖1所示。多線切割已經逐漸取代了傳統的內圓切割，成為硬脆材料切割加工的主要方式。多線切割機對運動控制技術指標要求：系統至少8軸同步運行，切割線速度至少800m/min，切割線張力穩定（張力波動在3N以內）。

圖1 多線切割原理框圖

要達到以上運動控制技術指標要求，需要保證伺服控制周期≤1ms，張力波動控制在3N以內，和利時的MC系列控制器中，采用EtherCAT實時總線的us級軸間同步技術，伺服控制周期和總線實時通訊周期都是1ms。系統配置圖如圖2所示。

圖2 和利時MC控制多線切割機框圖

用以太網作為總線實現軸間同步，比直連軸（以開環脈沖或閉環模擬量方式控制步進或伺服電機）驅動執行器，在帶載能力和安裝靈活性方面，優勢很明顯。

3　什么是工業互聯網時間敏感網絡？

上面提到的各個廠家主推的實時工業以太網，并非是標準以太網，雖然在滿足機器運動控制等方面已經綽綽有余。但是這些協議在易用性、互操作性、帶寬和設備成本上都存在一些不足，特別是當前大數據和云計算等進入工業控制領域、要求兩化融合的背景下，不僅要保證大數據傳輸，而且要保證傳輸的實時性和確定性，這時現有的實時以太網協議就顯得力不從心。為此，許多工業供應商、IT廠商和芯片提供商，加入IEEE802標準委員會和AVnu聯盟，共同更新標準以太網協議，并為工業互聯網的時間敏感型數據制定了低延遲數據傳輸標準。這個新標準稱為時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking，簡稱TSN）。

TSN有著帶寬、安全性和互操作性等方面的優勢，能夠很好滿足未來萬物互聯的要求。其主要的工作原理是優先適用（IEEE P802.3br）機制，在傳輸中讓關鍵數據包優先處理。這意味著關鍵數據不必等待所有的非關鍵數據完成傳送后才開始，從而確保更快速的傳輸路徑。

4　工業互聯網時間敏感網絡的技術試驗平臺

通過NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統，對傳統的以太網和TSN兩種不同的網絡進行比較。CompactRIO支持TSN，該系統框圖如圖3所示。NI的Controller1通過TSN將電機控制的轉盤位置信息傳輸給思科的TSN交換機，通過此交換機把位置信息同時發送給2號控制器和另外一臺交換機，另外一臺交換機把位置信息通過TSN傳輸給3號控制器，2號和3號控制器根據接收到的位置信息控制轉盤，做相應的運動。

圖3 NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統

另外兩個思科的交換機里同時還傳輸著視頻大數據。把以太網攝像頭的視頻數據，通過思科交換機發送給網絡監視器。

如果不啟用TSN，而用UDP傳輸的方式，當兩臺交換機之間有視頻等大數據傳輸時，由于受到網絡上大數據的影響，兩個轉盤之間的同步位置會越來越差，兩個控制器之間丟失的數據也會越來越多。而當啟用TSN傳輸時，兩臺交換機之間一直在傳輸視頻大數據，但是兩個轉盤的位置保持很好的同步，兩個控制器之間的數據也沒有丟失。

這個演示系統表明，TSN能夠保持時間敏感數據的優先傳輸，從而實現實時性和確定性。由于TSN采用標準以太網協議，TSN可無縫集成現有以太網應用和標準的IT網絡來提高易用性。此外，TSN繼承了現有以太網的許多特性，比如HTTP接口和web服務，實現了IIoT系統所需的遠程診斷、可視化和修復功能。

5　工業互聯網TSN的應用前景展望

智能制造描繪了一個宏觀的工業愿景，正是通過大數據、云計算、物聯網、仿真、虛擬現實、工業機器人、機器視覺、人工智能等基礎技術，一步步實現智能制造的宏偉藍圖。工業物聯網（IIoT）就是一個由日益智能且能互連互通的設備和基礎設施構成的世界。時間敏感網絡（TSN）新標準出現，解決了現有網絡的一些缺點，新的TSN標準將會帶來帶寬、安全性、互操作、延遲和同步等好處，把需要和不需要實時數據傳輸的機器、人和物，連接起來。

在汽車領域，目前大多數的汽車控制系統剎車、引擎、懸掛等采用CAN總線，而燈光、車門、遙控等采用LIN系統，娛樂系統用FlexRay和MOST等車載網絡的方式。TSN的標準和功能確定以后，TSN必將成為汽車行業的核心網絡，為以后車聯網和智慧交通打下基礎。

在工業領域，當前制造業生產管理對于效能和良率要求倍增，使得工業應用領域的通訊帶寬需求日益攀升，期望透過工廠擷取的高信息量分析大數據，推動新一代智能制造應用。若全球工業互聯網通訊協議行駛于TSN標準，可以很容易地透過集權式的云端伺服器，實現定制化生產、柔性制造，推動《中國制造2025》戰略，達到協同制造、新興業態等制造業的核心能力。

6　結語

新的TSN特征將在IIoT應用中通過增加通信要求的確定性和低延遲性，應該可以消除標準以太網未能作主骨干的IIoT網絡的最后障礙，推動關鍵和非關鍵的控制信息和數據匯聚到單個網絡中，通過增加必要的網絡安全措施，真正實現一網到底。

（注：本研究依托智能制造專項綜合標準化試驗驗證項目“工業控制網絡標準研究和驗證平臺建設”進行。）

作者簡介：

虞日躍, 男，浙江東陽人，中級工程師，碩士，現就職于北京和利時系統工程有限公司，研究方向為測試計量。

劉盈, 男，內蒙古呼和浩特人，初級工程師，碩士，現就職于北京和利時系統工程有限公司，研究方向為電氣工程。

劉丹，女，遼寧沈陽人，教授級高工，博士，現任職于機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，主要從事工業通訊及智能制造通用技術的研究。

參考文獻：

[1] 802.3br-2016 - IEEE Standard for Ethernet Amendment 5: Specification and Management Parameters for Interspersing Express Traffic [S].

摘自《自動化博覽》2017年6月刊