A06B-6089-H205 工業(yè)4.0的優(yōu)勢就是能夠充分利用不斷增加的數(shù)據(jù)做出更好的決策。在整個自動化系統(tǒng)中，能否及時獲取和傳輸數(shù)據(jù)取決于連接網絡。為應對日益增長的數(shù)據(jù)量，網絡技術以及制造工藝流 程和方法都必須不斷改進。智能、互聯(lián)的自動化環(huán)境需要數(shù)字連接系統(tǒng)、機器、機器人等，以創(chuàng)建和共享信息。這些機器采用的通信方式以及部署的工廠通信網絡是企業(yè)的核心，也是推動實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵。
整個廠區(qū)的所有（甚至遠程位置）傳感器和驅動器都需要無縫連接，但使用現(xiàn)有的基礎設施無法實現(xiàn)。如果未來需要通過企業(yè)層級的數(shù)據(jù)來提供可行的見解，我們面臨的挑戰(zhàn)就是找到一 種方法，使這些海量數(shù)據(jù)能夠在不破壞通信網絡的情況下傳輸。這就提出了一個問題：如何設計、構建和部署能夠滿足當今自動化環(huán)境和未來虛擬工廠需求的工業(yè)通信網絡。
為何選擇工業(yè)以太網？
由于互聯(lián)是實現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的核心，因此企業(yè)要真正實現(xiàn)互聯(lián)，必須滿足三個條件。第一，更高水平的信息技術(IT)或企業(yè)基礎設施必須與廠區(qū)的控制網絡融合。第二，廠區(qū)中現(xiàn)有的各 種網絡或生產單位必須協(xié)同共存，支持交互操作。第三，我們需要在整個工藝環(huán)境中實現(xiàn)無縫、安全的連接，從工藝終端一直到企業(yè)云。
為了應對這些挑戰(zhàn)，我們需要采用支持實現(xiàn)互操作性、可擴展性和覆蓋范圍目標的基礎網絡技術。部署廣泛的以太網技術就是理想的解決方案。它提供高帶寬，支持快速調試，還可以廣 泛部署在所有制造環(huán)境的IT基礎設施中。
然而，考慮到實時操作的需要，標準以太網并不能作為工業(yè)控制基礎設施的可行解決方案。操作技術(OT)控制網絡需要確保將通信消息準時送達既定位置。以確保手頭的任務或流程操作 無誤。用于路由流量的TCP/IP協(xié)議并不能從本質上保證確定性性能達到這種水平。與標準以太網支持文件共享或訪問網絡設備（如打印機）的方式一樣，工業(yè)以太網允許控制器訪問數(shù)據(jù)，并將來自PLC的指令發(fā)送給廠區(qū)各處的傳感器、驅動器和機器人。關鍵的區(qū)別在于延遲或未送達消息造成的影響。在非實時應用中，網頁更新緩慢帶來的影響很小，但在制造環(huán)境中，則可能導致從浪費材料到造成意外人身傷害等很大影響。為了使控制系統(tǒng)正常工作，消息必須每次都可靠、準時地送達目標位置。
因此，工業(yè)以太網已成為控制級操作技術的技術。不僅是IT和高層級OT網絡之間，工廠OT網絡的各層級和終端節(jié)點傳感器之間都要實現(xiàn)無縫連接，如圖3所示。如今，在低層級OT網絡 中實現(xiàn)連接需要使用復雜的高功耗網關，在更高層級的以太網中，則需要使用融合IT/OT網絡。擁有覆蓋整個廠區(qū)，基于以太網、可互操作的自動化網絡之后，則無需再使用這些網關，因此可以簡化網絡本身。事實上，用于轉換和支持OT網絡上層連接的協(xié)議網關不能直接尋址，并且會在網絡中造成隔離。這種數(shù)據(jù)隔離會限制整個工廠共享信息的能力。這與之前描述的工業(yè)4.0愿景背道而馳，制造商原本希望從OT端收集遙測數(shù)據(jù)來驅動IT端的分析和業(yè)務流程。
由于數(shù)據(jù)包交付和時序的確定性可確?？刂茟脻M足強制要求，所以許多供應商開始提供適合OT網絡的實時協(xié)議。這導致解決方案雖然是確定性的，但依賴于各供應商的協(xié)議。因此出現(xiàn)了大量不兼容的解決方案，每種解決方案采用不同類型的通信協(xié)議在不同制造單元內運行，且彼此之間不能互操作。由此導致長期存在數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島問題。所以需要一種解決方案，使采用不同協(xié)議的不同制造部門能夠共存，且能夠在不降低控制流量的情況下共享網絡。這種解決方案就是時間敏感型網絡(TSN)——一種基于IEEE 802.1規(guī)范、與供應商無關的實時以太 網標準。顧名思義，TSN關注時間。它將標準以太網通信轉換成為任務關鍵型應用提供時序保證的通信。該標準旨在確保信息可以在固定的可預測時間內從一個點移動到另一個點。TSN通過 這種方式保證及時交付。為了使通信可預測，網絡上的設備必須使用同一個時間概念。該標準定義了一種方法，可以按照計劃傳輸特定的TSN以太網幀，同時允許盡最大努力傳輸非TSN幀（參見圖4）。通過這種方式，TSN支持實時和非實時流量在同一網絡上共存。因為所有設備采用相同的時間，所以能夠在高達千兆的速度下以低延遲和低抖動傳輸重要數(shù)據(jù)。
其目標是構建融合網絡，其中每個協(xié)議都能采用確定性的可靠方法共享線路。TSN是提供所需確定性的標準工具箱。它代表向可靠的標準化連接體系架構的過渡，通過專用現(xiàn)場總線消除數(shù)據(jù)隔離。這種網絡融合反過來又通過提高網絡本身的可擴展性，在10 Mbps至1 Gbps甚至更大的帶寬范圍內推動生成更多數(shù)據(jù)。
可能的情況是，新設施中會全面采用TSN，但在現(xiàn)有工廠部分單位中則逐步采用。對于現(xiàn)場設備的制造商來說，這意味著在不久的將來，需要同時支持傳統(tǒng)的工業(yè)以太網解決方案以及TSN。
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