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北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司 虞日躍，劉盈

機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 劉丹

摘要：當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，僅僅是將數(shù)據(jù)從物的前端通過采集后傳輸?shù)胶笈_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后一層層向上傳遞到各個(gè)應(yīng)用層。那么，所有的業(yè)務(wù)模式都只會(huì)是一個(gè)個(gè)孤立的解決方案。本文提出了基于TSN的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的典型應(yīng)用案例，為物聯(lián)網(wǎng)今后的發(fā)展提供一種新的建設(shè)思路。

關(guān)鍵詞：TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）；軸間同步；運(yùn)動(dòng)控制

1　實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)概述

目前，在工廠自動(dòng)化設(shè)備的工業(yè)控制總線技術(shù)中存在著多種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，比如Ethernet/IP、PROFINET、SERCOSIII、CC-Link、POWERLINK、EtherCAT等，這些協(xié)議都是為了解決IEEE802.3中數(shù)據(jù)碰撞的機(jī)制，導(dǎo)致的不確定性的數(shù)據(jù)傳輸延遲。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上修改或增加了一些特定的協(xié)議，以及采用了軟實(shí)時(shí)或硬實(shí)時(shí)的方法，以保證循環(huán)周期在1ms~100ms內(nèi)不同級(jí)別的實(shí)時(shí)性和確定性。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)主要應(yīng)用在需要快速響應(yīng)、確定時(shí)間周期的高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備，如印刷機(jī)、折彎?rùn)C(jī)、鋼鐵切割和各種機(jī)械手等。

2　實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)在運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外做運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的公司，如英國(guó)的翠歐（Trio），國(guó)內(nèi)的和利時(shí)，目前的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，在采用總線方式的軸同步時(shí)，都是采用一個(gè)控制器帶多軸的控制方式。如和利時(shí)的MC100XX系列運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品，采用的是EtherCAT或RTEX等ms級(jí)的實(shí)時(shí)總線技術(shù)。和利時(shí)MC系列運(yùn)動(dòng)控制器，在多線切割機(jī)中的應(yīng)用案例。

多線切割是一種通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將藍(lán)寶石等高硬脆性材料一次同時(shí)切割為數(shù)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(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割，成為硬脆材料切割加工的主要方式。多線切割機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)指標(biāo)要求：系統(tǒng)至少8軸同步運(yùn)行，切割線速度至少800m/min，切割線張力穩(wěn)定（張力波動(dòng)在3N以內(nèi)）。

圖1 多線切割原理框圖

要達(dá)到以上運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)指標(biāo)要求，需要保證伺服控制周期≤1ms，張力波動(dòng)控制在3N以內(nèi)，和利時(shí)的MC系列控制器中，采用EtherCAT實(shí)時(shí)總線的us級(jí)軸間同步技術(shù)，伺服控制周期和總線實(shí)時(shí)通訊周期都是1ms。系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 和利時(shí)MC控制多線切割機(jī)框圖

用以太網(wǎng)作為總線實(shí)現(xiàn)軸間同步，比直連軸（以開環(huán)脈沖或閉環(huán)模擬量方式控制步進(jìn)或伺服電機(jī)）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，在帶載能力和安裝靈活性方面，優(yōu)勢(shì)很明顯。

3　什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)？

上面提到的各個(gè)廠家主推的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，并非是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，雖然在滿足機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余。但是這些協(xié)議在易用性、互操作性、帶寬和設(shè)備成本上都存在一些不足，特別是當(dāng)前大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域、要求兩化融合的背景下，不僅要保證大數(shù)據(jù)傳輸，而且要保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性，這時(shí)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議就顯得力不從心。為此，許多工業(yè)供應(yīng)商、IT廠商和芯片提供商，加入IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)和AVnu聯(lián)盟，共同更新標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，并為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)間敏感型數(shù)據(jù)制定了低延遲數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)稱為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，簡(jiǎn)稱TSN）。

TSN有著帶寬、安全性和互操作性等方面的優(yōu)勢(shì)，能夠很好滿足未來萬(wàn)物互聯(lián)的要求。其主要的工作原理是優(yōu)先適用（IEEE P802.3br）機(jī)制，在傳輸中讓關(guān)鍵數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。這意味著關(guān)鍵數(shù)據(jù)不必等待所有的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成傳送后才開始，從而確保更快速的傳輸路徑。

4　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

通過NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)和TSN兩種不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較。CompactRIO支持TSN，該系統(tǒng)框圖如圖3所示。NI的Controller1通過TSN將電機(jī)控制的轉(zhuǎn)盤位置信息傳輸給思科的TSN交換機(jī)，通過此交換機(jī)把位置信息同時(shí)發(fā)送給2號(hào)控制器和另外一臺(tái)交換機(jī)，另外一臺(tái)交換機(jī)把位置信息通過TSN傳輸給3號(hào)控制器，2號(hào)和3號(hào)控制器根據(jù)接收到的位置信息控制轉(zhuǎn)盤，做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

圖3 NI的CompactRIO搭建的兩軸同步控制系統(tǒng)

另外兩個(gè)思科的交換機(jī)里同時(shí)還傳輸著視頻大數(shù)據(jù)。把以太網(wǎng)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，通過思科交換機(jī)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視器。

如果不啟用TSN，而用UDP傳輸?shù)姆绞剑?dāng)兩臺(tái)交換機(jī)之間有視頻等大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于受到網(wǎng)絡(luò)上大數(shù)據(jù)的影響，兩個(gè)轉(zhuǎn)盤之間的同步位置會(huì)越來越差，兩個(gè)控制器之間丟失的數(shù)據(jù)也會(huì)越來越多。而當(dāng)啟用TSN傳輸時(shí)，兩臺(tái)交換機(jī)之間一直在傳輸視頻大數(shù)據(jù)，但是兩個(gè)轉(zhuǎn)盤的位置保持很好的同步，兩個(gè)控制器之間的數(shù)據(jù)也沒有丟失。

這個(gè)演示系統(tǒng)表明，TSN能夠保持時(shí)間敏感數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性和確定性。由于TSN采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，TSN可無(wú)縫集成現(xiàn)有以太網(wǎng)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)的IT網(wǎng)絡(luò)來提高易用性。此外，TSN繼承了現(xiàn)有以太網(wǎng)的許多特性，比如HTTP接口和web服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了IIoT系統(tǒng)所需的遠(yuǎn)程診斷、可視化和修復(fù)功能。

5　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)TSN的應(yīng)用前景展望

智能制造描繪了一個(gè)宏觀的工業(yè)愿景，正是通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺、人工智能等基礎(chǔ)技術(shù)，一步步實(shí)現(xiàn)智能制造的宏偉藍(lán)圖。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）就是一個(gè)由日益智能且能互連互通的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成的世界。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）新標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一些缺點(diǎn)，新的TSN標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)器、人和物，連接起來。

在汽車領(lǐng)域，目前大多數(shù)的汽車控制系統(tǒng)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(tǒng)，娛樂系統(tǒng)用FlexRay和MOST等車載網(wǎng)絡(luò)的方式。TSN的標(biāo)準(zhǔn)和功能確定以后，TSN必將成為汽車行業(yè)的核心網(wǎng)絡(luò)，為以后車聯(lián)網(wǎng)和智慧交通打下基礎(chǔ)。

在工業(yè)領(lǐng)域，當(dāng)前制造業(yè)生產(chǎn)管理對(duì)于效能和良率要求倍增，使得工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)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(shù)據(jù)，推動(dòng)新一代智能制造應(yīng)用。若全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議行駛于TSN標(biāo)準(zhǔn)，可以很容易地透過集權(quán)式的云端伺服器，實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)、柔性制造，推動(dòng)《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，達(dá)到協(xié)同制造、新興業(yè)態(tài)等制造業(yè)的核心能力。

6　結(jié)語(yǔ)

新的TSN特征將在IIoT應(yīng)用中通過增加通信要求的確定性和低延遲性，應(yīng)該可以消除標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)未能作主骨干的IIoT網(wǎng)絡(luò)的最后障礙，推動(dòng)關(guān)鍵和非關(guān)鍵的控制信息和數(shù)據(jù)匯聚到單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，通過增加必要的網(wǎng)絡(luò)安全措施，真正實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)到底。

（注：本研究依托智能制造專項(xiàng)綜合標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)研究和驗(yàn)證平臺(tái)建設(shè)”進(jìn)行。）

作者簡(jiǎn)介：

虞日躍, 男，浙江東陽(yáng)人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量。

劉盈, 男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，初級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

劉丹，女，遼寧沈陽(yáng)人，教授級(jí)高工，博士，現(xiàn)任職于機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，主要從事工業(yè)通訊及智能制造通用技術(shù)的研究。

參考文獻(xiàn)：

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

摘自《自動(dòng)化博覽》2017年6月刊