用工业物联网、工业4.0创造互联产业、技术

智能工厂的七个步骤:自动化供应商希望通过工业物联网(IIoT)和工业4.0获得竞争优势。带时间敏感网络(TSN)的以太网会有所帮助。

通过托马斯·伯克和约翰·布劳伊特 2022年5月3日

提供:CC-Link伙伴协会(CLPA)

学习目标

带时间敏感网络的以太网(TSN)是制造商改进设施并使其更紧密连接的一种方式。
随着工业物联网(IIoT)和工业4.0的兴起，围绕TSN的技术格局正在继续发展。
CC-Link IE TSN可以帮助制造商实现更好的智能工厂，提高性能、智能和连接。

制造商正在寻求自动化供应商提供系统和技术，以帮助他们创建互联工业、智能工厂，并与工业4.0和工业物联网(IIoT)进行集成。自动化供应商正在寻找能给他们带来竞争优势的最新技术，例如改进的可伸缩性、性能、可靠性、易用性和提高的成本效益。一项有助于实现全面改进的技术是带时间敏感网络的以太网(TSN)。

要实现全球智能工厂，需要考虑的七个关键领域是:

确保全球业务的质量和性能一致
平衡生产与需求，优化材料使用和资产利用
改进和满足法规遵从性
实施更灵活和敏捷的制造操作，以应对不断变化的市场条件
通过减少平均维修时间(MTTR)和提高整体设备效率(OEE)来满足严格的要求和按时交付的指标
降低全球制造工厂制造和信息技术(IT)系统的设计、部署和支持成本
改进对工厂车间发生的事件的响应，而不考虑其位置。

对抗自动化的“孤岛”

一个主要障碍是现有的工业网络系统无法在不同技术之间共享信息。这导致了数据“孤岛”，阻止了信息的共享。工业自动化控制系统(iacs)制造商及其客户了解其工厂中产生的数据的价值，并需要无缝访问数据，以便在工业物联网和工业4.0时代做出更明智的决策来运行工厂。

因此，工业4.0应用程序所需的那种透明度正在成为首选方法。从车间获取千兆字节的数据来制造有用的信息是战略的一部分。数据智能还可以通过专注于IT/OT融合的完整解决方案架构解决客户的问题。

IT/OT网络兼容性

标准化协议正在改善IT和运营技术(OT)网络周围的数据移动。然而，有一类通信具有强制的数据孤岛，这是确定性性能所必需的。为了解决这个问题，协议需要与TSN兼容，以提供融合网络的好处，同时提供对优先级流量的支持。

实施工厂自动化项目的公司应该寻找能够满足当前需求的开放网络技术，例如响应千兆带宽的工业4.0需求，同时提供TSN兼容性。

TSN技术的重要性反映在许多标准机构和工业以太网组织努力将其纳入其投资组合的方式上。他们的工作为之前断开连接的所有复杂、不同的设备和应用程序之间的数据和信息集成提供了坚实的基础。

要成功地构建完整的自动化系统，就需要连接不同的技术并使事物从无缝互操作的角度工作。标准化允许使用来自许多供应商的产品设计和部署完整的系统。

TSN还可以为融合和互操作性提供许多机会。TSN可以使以前隔离到单独通信的设备和应用程序成为内聚系统的一部分。不同的工业以太网协议可以在同一网络上共存。

自动化中的网络标准

各种开放的工业以太网协会，以及OPC基金会，一直致力于增加TSN兼容性。IEEE 802.1组包括30多个标准，其中一些可能不适用于工业用例。对于哪些应该用于自动化，需要达成一些协议。为了解决这个问题，IEC(国际电工委员会)和IEEE(电气和电子工程师协会)正在合作，基于广泛的用例集，为自动化中的TSN定义一套标准配置文件。这通常被称为IEC / IEEE 60802．然而，正如我们已经看到的，核心IEEE 802.1AS和Qbv标准涵盖了许多自动化用例，它们解决了时间同步和优先级划分问题。

供应商已经推出了包含这些标准的产品。此外，IEC和IEEE都有向后兼容的记录。未来的标准可能会在任何以前的标准中“祖父”。IEC/IEEE 60802项目也计划解决TSN一致性测试的问题。至少有一个开放网络组织已经提供了这种服务，而且这些活动很可能会与未来包括其他组织在内的更广泛的项目相结合。

图1:一项有助于实现全面改进的技术是带时间敏感网络的以太网(TSN)。提供:CC-Link伙伴协会(CLPA)

TSN (Time-sensitive networking)优点

那么，一个相信TSN的好处并想要采用它的公司会怎么做呢?答案是寻找一种支持TSN的技术，同时提供必要的应用功能，如安全和运动控制。CLPA推出CC-Link IE TSN已经近三年了，其中包括使用已建立的开放工业以太网CC-Link IE并添加TSN兼容性。

其结果是世界上第一个将千兆带宽与TSN相结合的开放工业以太网技术。最终用户、机器制造商和供应商可以在产品和项目中采用经过验证的技术。

对于设备供应商来说，开发CC-Link IE TSN兼容产品有助于在三个方面实现工业4.0的承诺:

性能:目前唯一可用的开放工业以太网，将千兆带宽与TSN结合起来，通过最大带宽可用性提供最高的生产力。
连通性:作为一种开放技术，最终用户和机器制造商的选择自由最大化，同时为供应商提供实现的灵活性。TSN提供了将CC-Link IE TSN流量与其他协议结合的能力。
情报:通过一系列旨在简化系统设计和维护的功能，减少工程时间并最大限度地延长正常运行时间。

互操作性的新时代

对于仍在思考如何使用TSN的最终用户、机器制造商或供应商来说，这意味着什么?供应商和标准组织正在采用TSN技术，并将其推广到他们自己的标准和产品组合中。

终端用户希望有选择，并期望网络和设备共存，共同工作以增加业务价值。这使得以前断开连接的设备的数据可以转换为有用的信息，通过利用TSN为今天和明天的工业自动化提供完整的内聚实现。风险不在于现在就采用TSN，而在于再等几年再实施，然后就落后了。

TSN为制造商提供了几个机会，例如决定论和完整的工业和商业网络融合。网络融合是应对工业4.0所确定的更大透明度挑战的关键组成部分，允许流程和制造高效、精简的运营。

图2:标准化协议正在改善围绕信息技术(IT)和操作技术(OT)网络的数据移动。提供:CC-Link伙伴协会(CLPA)

向tsn支持系统的演变

对于当前的工业自动化项目，组织需要调查哪些网络技术将有助于改进运营。千兆以太网将有助于实现这一点。网络也应该是开放的。关注未来的需求意味着确定支持TSN的当前技术，并为未来支持TSN的系统提供升级路径。

围绕TSN的技术领域正在不断发展，IEEE和IEC的活动带来了新的进展。现在安装的支持tsn的设备和网络将与未来的系统一起工作，这是一个很好的赌注。以太网已经存在了大约40年，并在这段时间内不断发展，这就是为什么它今天仍在使用。

TSN等技术将不断发展，以帮助企业满足当前需求，并帮助塑造下一次工业革命。

机器制造商和最终用户依赖TSN技术将遗留系统与今天的系统连接起来，同时满足未来的复杂需求。TSN可以帮助开发路线图，简化机器设计并改善制造操作。

托马斯·伯克，全球战略顾问，CC-Link伙伴组织(CLPA)北美;约翰Browett， CC-Link合作伙伴协会(CLPA)欧洲总经理。由Chris Vavra编辑，web内容经理，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．