工业以太网是否已为工业4.0做好准备（下）：TSN给工业系统带来的好处

时间敏感型网络（TSN）可以简化工业系统，并降低工业4.0和工业物联网的系统和硬件成本。

物联网（IoT）的出现，推动了经济各部门对网络化、时间感知系统的需求。工业物联网（IIoT）的发展，使得通过分布式网络收集的数据量大大增加，从而需要管理和传输关键和非关键信息的新方法。

对可靠性和安全性水平的需求正在增长，工程师正在寻找目前专用和隔离工业通讯标准的替代品。最新的IEEE 802.1 时间敏感网络（TSN）标准集，代表了标准以太网技术的发展趋势，旨在满足这些新的市场需求。

图1 ：TSN 标准允许管理网络通信以确保性能和数据传递。图片来源：Avnu Alliance

工业控制应用需要实现从传感器到控制器以及执行器，一致且确定的数据传输。这些元件之间交换的数据，对于控制任何制造过程都至关重要，因此必须最大限度地减少对数据交换的干扰或阻碍。对于大多数自动化系统而言，这并不是一个问题，因为已经通过独立的网络将控制数据从信息数据中分离出来了。

IIoT 正在改变这一范式，因为制造商可以从控制过程中使用的传感器和设备中寻求见解和分析信息。通过同一网络传送的数据总量增加。某些数据对于控制系统至关重要，而其它数据对于信息和分析系统则至关重要。

在网络基础结构中，TSN 是确保控制数据流量具有足够带宽的一种途径，它还允许非关键数据流量在同一网络上传输。TSN 提供了实现同一物理网络上不同数据流量汇聚的工具，从而降低了基础架构的成本。

控制关键流量

TSN 是IEEE 引入的以太网标准的集合，该标准定义了一组用于管理流量的新机制，为以太网网络定义了新功能，例如流量塑形、帧抢占、流量调度、入口策略和无缝冗余。当网络的所有部分都以相同的时间基准运行时，可以根据计划表来协调流量，该计划可以更好地控制关键流量。

这些功能为管理以太网流量提供了新的控制层。但是，从业务角度来看，TSN 是否值得投资？在应用到复杂系统的标准中，如果TSN 代表了该标准的另外一层，那么TSN 如何能为最终用户创建一个更简单的系统？

TSN 标准旨在促进系统级配置，并且在创建时就从系统的角度，而不是从组件的角度出发。TSN 使终端站可以在网络上发布需求，并允许系统中的网桥和交换机向更广泛的网络发布其功能。

例如，“P802.1Qcc– 流预留协议（SRP）增强和性能改进”规范是一种机制，旨在使网络基础架构在系统级别上更智能，并传达信息以便将控制面板从手动配置转换到自动化工作流程。

在这个未来的体系结构中（如图2 所示），可以向用户提供系统视图，允许配置输入/ 输出（I/O）和控制设备，以及拓扑和基础结构设备的布局。TSN 价值主张的核心原则是对所有网络通信进行管理，从而确保性能和数据传递。为此，所有设备都需要通过发布或通知系统对流量的需求及其管理流量的功能，来参与流量规划。在此示例中，使用集中式网络配置引擎来配置系统。在分布式模型中，使用数个域管理器来运行系统。

图2

让系统更智能

在未来， 集中式网络配置将成为一种智能工具，它可以从TSN 标准中收集和传达信息。它可以计算出最佳的解决方案，以适应网络中所有连接之间的所有数据流量。系统清楚可用带宽，并在网络（网桥）中配置基础结构组件，以容纳流量。如果系统无法解决满足性能要求和子网中流量负载的配置，它将通知用户，以便可以修改拓扑、性能要求或负载。

TSN 使运行计算成为可能，这有助于实现或预测给定应用程序的网络设计是否成功。TSN 可以使由于操作完整性、实时性、安全性等原因而分开的网络和系统融合在一起。打破关键系统和非关键系统之间的通信障碍，这也是实现IIoT 和工业4.0 的基础。

借助TSN 和时间同步功能，无论对环境有多苛刻，都可以随时随地从边缘实时数据中获取洞察信息。选择TSN 可以改变工业模式，在平台上构建一个更加融合和确定性的网络，以保护长期投资。TSN及其附属的智能软件，为智能系统提供了配置网络基础结构的能力。借助TSN 的网络智能，系统将变得更自动化，并且不再需要人工干预。

工业中应用TSN的好处

由TSN基础架构提供的数字技术可以缩短运营交付周期，提高系统可见性，并提高资产利用率。这些好处可以通过对未来系统进行验证来为进一步的改进铺平道路，其中包括：

· 易于网络配置：现在， 技术人员必须在常规网络上手动配置每个网络设备。TSN 可以通过智能配置工具进行自动配置。网络了解实现所需性能必须执行的动作，并根据需要打开和关闭特定服务。TSN所要求的用于全网配置和调试的标准化方法，也为离线仿真以及网络和体系结构建模提供了途径。

· 安全网络：安全性对于工业自动化和控制网络至关重要。由于TSN 是标准以太网，因此控制网络可以利用数十年来在以太网内发展起来的最佳安全实践。TSN 还通过精确的计时机制，为数据添加了一层安全保护，该机制有助于及早发现网络漏洞。

· 降低系统成本：TSN 允许在一个网络上融合不同类型的流量，从而降低总体系统成本。由于系统需要较少的设备和电缆，因此还可降低硬件和维护成本。

· 未来的网络增强功能：TSN 是以太网系列标准的一部分，这意味着该技术不会限制带宽和其它性能标准。可以将新节点添加到网络并通过标准网络协议发现新增节点。

由于这些原因，TSN 成为构建未来智能网络的一个重要平台。TSN 有助于构建更加融合和确定性的网络系统，从而保护企业的长期投资。

关键概念：

■ TSN 是以太网标准的集合，可以帮助企业更好地管理不断增长的数据流。

■ TSN 的好处包括更轻松的网络配置、更低的系统成本和更好的安全标准。

思考一下：

您的公司可以从TSN 中获得哪些直接收益？

- 完 -

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年10月刊《技术文章》栏目，原标题为：TSN给工业系统带来的好处

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