TSN解决了测量和控制的挑战

据专家估计，到2020年，全球将有500亿台设备实现互联，其中工业设备将占近一半。这意味着，在跨工厂、测试实验室、电网、炼油厂和基础设施实施工业物联网(IIoT)时，工程师和科学家有很大的发言权。

全球加工行业是工业物联网的早期采用者，原因很容易理解。ARC咨询集团的数据显示，油气行业的计划外资产停机成本每年高达200亿美元，其中80%是可以避免的。然而，不仅仅是全球加工行业可以从工业物联网中受益。在商业领袖中，95%的人预计他们的公司将在未来36个月内使用工业物联网。

工程师可以期望获得三个关键的好处:

• 预测性维护增加正常运行时间
• 提高性能与控制在边缘
• 通过连接的真实数据改进产品设计和制造。

如今，最关键资产的正常运行时间通常依赖于少数主题专家的人工检查。不幸的是，这些专家越来越难找到，而且手动监控无法扩展到整个资产舰队。据估计，目前只有5%的数据被分析。当使用分析和机器学习来预测资产的剩余使用寿命，并在昂贵的故障之前安排维护时，IIoT有助于阐明可能性。

第二个好处是性能的提高和优化。部署在生产线上或现场的智能机器必须能够根据从上游其他机器接收到的信息调整参数，如温度或吞吐量。提高这些系统性能的最佳方法包括机器或资产部分的完全自主。在这种情况下，如果机器可以从其他机器或自己的经验中学习，那么它们就可以调整控制参数，更好地适应周围环境。

工业物联网的最终好处是改进产品设计和生产。这有时被称为“用于研发的工业物联网”。真实世界的数据，比如使用数据，会反馈给工程部门，以改进下一代产品。然而，这不仅仅是关于获取数据，还要有效地管理数据以获得有价值的见解。例如，捷豹路虎公司(Jaguar Land Rover Co.)有数百名工程师，他们每天总共生成超过500gb的时间序列数据。此前，该公司只分析了10%的数据，但在实施了工业物联网解决方案后，该公司的数据覆盖率提高到了95%。它现在可以在更短的时间内解决更多的设计问题。

即将实现

为了实现工业物联网的好处，设计团队必须依赖于几个核心技术。无论是构建在线监控系统、智能制造机器，还是测试物理机电系统，一个关键的共性是对边缘智能的需求。系统越复杂，需要实时做出的决策就越多。例如，为风力涡轮机叶片的结构测试获取大量高分辨率模拟波形数据的能力对于理解其真实世界行为的特征非常重要。

同时，需要处理这些数据，为驱动叶片的控制系统提供输入，以确保在已知条件下进行测试。因此，根据IDC的数据，专家们估计，至少40%的工业物联网创建的数据将在边缘存储、处理、分析和处理。为了最大化性能并减少不必要的数据传输，您必须将决策下放到部署在“事物”处或附近的边缘节点。

在实现这些系统时，出现了新的挑战——特别是当系统的物理尺寸和传感器数量增加时。继续我们的结构测试示例，为了充分了解风力涡轮机叶片的性能，整个结构需要配备传感器来测量应变、压力、负载和扭矩。这些传感器都产生模拟信号，为了获得最大的洞察力，必须采取高速、高分辨率的测量。对于这样的大规模应用，可能需要在整个系统中分布数百甚至数千个传感器。当我们获得所有这些数据时，必须对其进行实时处理，以便为控制系统的所有执行器提供设定点。

在尝试开发这样一个系统时，会遇到一些挑战:

• 同步潜在的数千个通道和众多的测量系统
• 使控制系统同步，使所有的动作在正确的时间发生
• 同步测量和控制系统。

随着系统的发展，这些挑战会进一步扩大，应用程序中会增加更多的测量和控制功能。测量系统与其他测量系统同步，控制系统与其他控制系统同步，并不是一个新的挑战。通常，这可以通过基于信号的方法实现，其中使用物理布线将公共时基或信号路由到分布式节点。不幸的是，这有距离和可伸缩性的限制，以及噪音的风险。

另一种可能性

另一种选择是利用建立在通用标准(如以太网)之上的协议。以太网提供了开放性和互操作性，但没有延迟限制或带宽保证。为了解决这一挑战，开发了定制版本的以太网，通常称为硬实时以太网。EtherCAT、Profinet和EtherNet/IP就是最好的例子。这些自定义的以太网变体提供了硬实时性能和一流的延迟和控制。然而，每种变体都包括对网络基础设施的硬件和软件修改，这增加了成本，并意味着来自不同供应商的不同设备无法在同一网络上运行。

现在，一种解决这一同步挑战的新技术即将上市，称为时间敏感网络(TSN)。TSN是标准以太网的进化，它提供了开放性和互操作性，但增加了硬实时以太网提供的有限延迟和有保证的带宽。具体来说，TSN提供三个关键组件:基于时间的同步、流量调度和系统配置。同步功能基于IEEE 1588精确时间协议配置文件，提供亚微秒级的网络同步。此外，流量调度和系统配置为确定性数据通信提供动力，因此用户可以在网络上调度和优先考虑时间关键型数据(例如控制信号)。

TSN的一个重要方面是时间关键流量和其他以太网流量的收敛。由于TSN是以太网标准的一个特性，所以时间同步和确定性通信的新功能与其他网络通信运行在同一网络上。这意味着测量或控制系统上的单个端口可以执行确定性通信，同时还可以更新远程用户界面终端并支持文件传输。

TSN是许多工业应用(如过程和机器控制)的关键增强，其中低通信延迟和最小抖动对于满足闭环控制要求至关重要。以太网上基于时间的同步还最大限度地减少了监控应用程序和物理系统测试(如我们的结构示例)中传统的布线，从而获得更简单、经济有效的解决方案，而不牺牲可靠性。

TSN的引入是解决整个系统同步挑战的巨大进步。开发这些系统的工程师所关注的另一个问题是在保持或提高可靠性的同时降低整个系统的复杂性。在我们的结构测试示例中，应用程序可以开发为利用基于tsn的测量和控制系统，但是仍然存在在各自的环境中对两者进行编程以及处理各自的数据收集机制的挑战。

消除挑战

像可编程逻辑控制器(plc)这样的控制系统通常用IEC 61131-3语言编程，并对单点数据进行操作。这种类型的数据是控制应用的理想选择，但不适合获得洞察力-这需要波形数据。类似地，测量系统在波形数据中工作以提供所需的洞察力，但对于发送单点控制信号或确定性地对它们作出反应并不理想。

测量和控制系统的这种特征是黑白的。在过去的几年中，测量和控制系统一直在缓慢地融合。每个都增加了新的功能，这样更多的测量系统可以做一些控制，反之亦然。然而，这种测量和控制系统的持续融合将对未来的工业物联网应用产生重大影响。测量和控制系统将成为同义词，无需同时部署两个系统。测量和控制将能够使用单一的软件工具链来获取、处理、记录和对传入数据做出反应，最终降低系统成本和复杂性。

拥有独立的测量和控制系统自然会使系统更加复杂，因为必须创建两个独立的系统，通常使用不同的软件工具，并需要多种形式的专业知识。然后，这些系统必须集成在一起，这就导致了额外的布线和相关考虑。这一切都会增加成本和复杂性——特别是对于像结构测试示例这样的大型系统。

相反，应该考虑一个完全统一的测量和控制平台。这样的平台需要提供测量系统的测量广度、精度、通道可伸缩性和I/O同步需求，以及控制系统的可定制性。通过利用这样的平台，测试工程师、维护经理和机器设计人员都将拥有必要的工具，以充分实现工业物联网的好处，同时降低其部署的成本和复杂性。

布兰登Treece是一名高级产品营销经理，国家仪器德克萨斯州奥斯汀。

来源

思科,《物联网:互联网的下一次进化如何改变一切, 2011年。

IHS Markit, 2017年物联网趋势观察，2017。

ARC咨询集团，通过APM的保险酸测试，2011年3月17日。

国际数据中心——充满机遇的数字宇宙:丰富的数据和物联网不断增长的价值。

IDC FutureScape: 2017年全球物联网预测，2016。

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