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摘要

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）在全球范圍內(nèi)的興起，在未來的工業(yè)體系中，根據(jù)客戶不同的需求，配方、設(shè)計、生產(chǎn)都需要進(jìn)行快速地響應(yīng)，真正實(shí)現(xiàn)柔性、定制化的生產(chǎn)，同時還需要提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)能，降低綜合成本等等。為了實(shí)現(xiàn)這種“變種變量”的生產(chǎn)，屆時將會有越來越多信息需要進(jìn)行收集與處理，譬如運(yùn)營、訂單、物料、生產(chǎn)現(xiàn)場、物流等等，因此IT(Information Technology)與OT(Operational Technology)之間的聯(lián)系需要更加的緊密。CC-Link IE TSN作為全球最早推出的基于TSN（Time Sensitive Networking）技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，順應(yīng)了時代的潮流。

在整個工業(yè)的發(fā)展中，從工業(yè)2.0的電氣自動化開始，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在整個工業(yè)體系中就起著不可替代的作用。在工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)普及之初，最早開始占領(lǐng)市場的是基于RS-232的串口通信，但是在使用過程中存在各種各樣的問題：首先是共模干擾的問題，其次因為是其規(guī)定的最大電容為2500pF，極大限制了它的傳輸距離和傳輸速率，在現(xiàn)場使用過程中的可靠通訊距離僅為15m，通訊速率在20Kbps左右，同時點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式也很難滿足工業(yè)產(chǎn)線的需求。

為了解決距離和速率的問題，基于RS-485的串口通信誕生了，它在RS-232的基礎(chǔ)上優(yōu)化了收發(fā)方式并采用二線制實(shí)現(xiàn)1對N的通訊，通訊速率也提高到最快10Mbps，距離總長可達(dá)1000m以上。雖然通訊由全雙工轉(zhuǎn)換成半雙工，但是更加符合工業(yè)場景對實(shí)時性的要求。目前市面上有非常多基于RS-485的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，比如CC-Link、Profibus、Modbus、CANopen等總線協(xié)議。

到了20世紀(jì)末期，工業(yè)再次得到極大的提升，Mes系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等應(yīng)用對于生產(chǎn)現(xiàn)場傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量及速度的要求有了更進(jìn)一步的需求，同時互聯(lián)網(wǎng)的火熱也極大地影響了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，各家開始推出了基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，比如CC-Link IE、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethercat、Ethernet/IP等等。這些網(wǎng)絡(luò)通過使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)線、連接器以及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，極大方便了現(xiàn)場施工，同時通訊距離與速率再次得到了提升，設(shè)備間距離擴(kuò)展到100m，速率也可達(dá)到100Mbps，甚至1Gbps。

近年來隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的落地，越來越多基于IT的應(yīng)用軟件需要與現(xiàn)場的OT信息進(jìn)行交互，對于網(wǎng)絡(luò)的速度與數(shù)據(jù)量再次形成了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，同時市場對普通以太網(wǎng)設(shè)備的使用、驅(qū)動設(shè)備的高精度有了更高的要求。基于這些原因，TSN技術(shù)正式進(jìn)入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。CC-Link IE TSN作為最早應(yīng)用TSN技術(shù)的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)，在滿足IT與OT融合的情況下，提供更快的網(wǎng)速、更大的數(shù)據(jù)容量以及更高的網(wǎng)絡(luò)利用率。

3.1.  控制信息與生產(chǎn)管理信息的融合

CC-Link IE TSN對現(xiàn)場設(shè)備的控制信息提高其高優(yōu)先度，相對于生產(chǎn)管理信息優(yōu)先分配帶寬，實(shí)現(xiàn)了利用實(shí)時循環(huán)通信控制現(xiàn)場的設(shè)備，在確保控制信息實(shí)時性的同時還可以直接通過TCP/IP協(xié)議從終端設(shè)備獲取信息，兩種協(xié)議共存于同一網(wǎng)線內(nèi)且互不干擾，不僅節(jié)省了現(xiàn)場配線成本，同時更是真正實(shí)現(xiàn)了IT與OT的融合。

圖 1 TSN技術(shù)及協(xié)議層

3.2.  系統(tǒng)設(shè)置及修復(fù)的快捷性

SNMP作為通用的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，也與CC-Link IE TSN相兼容，使用對應(yīng)SNMP的普通以太網(wǎng)診斷工具不僅可以方便的監(jiān)視CC-Link IE TSN的兼容產(chǎn)品，也可以對普通以太網(wǎng)的交換機(jī)、工業(yè)相機(jī)、震動檢測等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并分析，同時也為人工智能提供大數(shù)據(jù)。

通過采用TSN規(guī)范中的時鐘同步協(xié)議（參考IEEE802.1AS和IEEE1588V2），可以對各個兼容產(chǎn)品之間的時間進(jìn)行校準(zhǔn)，保持其高精度的同步。利用CC-Link IE TSN兼容產(chǎn)品的時鐘同步功能，可以在運(yùn)行日志中快速明確故障時間點(diǎn)，幫助大家識別異常原因并快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)正常，與此同時還可以向上位IT系統(tǒng)提供現(xiàn)場狀況以及相對應(yīng)的準(zhǔn)確時間，通過分析耗電量、震動情況等信息對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行預(yù)維護(hù)或提前更換，大幅降低維護(hù)成本。

3.3.  生產(chǎn)節(jié)拍提高與網(wǎng)絡(luò)最大利用率

CC-Link IE TSN可以實(shí)現(xiàn)最小31.25μs的鏈接掃描周期，在工業(yè)現(xiàn)場能夠極大縮短生產(chǎn)節(jié)拍，提升整廠的生產(chǎn)能力。不僅如此，CC-Link IE TSN通過使用時間分割（IEEE802.1Qbv）實(shí)現(xiàn)在同一個網(wǎng)絡(luò)中定義多種連接掃描周期，針對不同產(chǎn)品的特性設(shè)置相對應(yīng)的鏈接掃描周期，比如對伺服系統(tǒng)、安全設(shè)備等可以定義高速周期，而對溫濕度傳感器等可使用中速或低速周期，從而實(shí)現(xiàn)最大的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，提高整廠產(chǎn)能。

3.4.  開發(fā)方式的多樣性

CC-Link IE TSN的兼容產(chǎn)品不僅可以通過專用的ASIC或FPGA的硬件方式進(jìn)行開發(fā)，也可以在通用以太網(wǎng)芯片上使用軟件協(xié)議棧的方式進(jìn)行開發(fā)，通信速度也可根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)選擇對應(yīng)100Mbps或1Gbps，極大方便了設(shè)備廠商根據(jù)自身條件選擇開發(fā)方式。

采用TSN技術(shù)的CC-Link IE TSN在充分利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備的同時，通過重新定義協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高速的控制通信，滿足在各個行業(yè)中的應(yīng)用。比如在汽車行業(yè)中，普通和安全通信可在同一條網(wǎng)線上進(jìn)行混合通信；在半導(dǎo)體行業(yè)，大容量的菜單數(shù)據(jù)及追溯數(shù)據(jù)也可高速通信，同時與HSMS混合通信也不會對控制信息的定時性造成影響；在鋰電行業(yè)中，通過組合通信周期的高速控制（伺服等）和低速控制（變頻器、調(diào)溫器等），可確保裝置性能并根據(jù)用途選定最佳設(shè)備。

圖 2 CC-Link IE TSN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TSN技術(shù)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向，未來將有越來越多基于TSN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)誕生，CC-Link IE TSN將會在未來與這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

來源： 伺服與運(yùn)動控制