【克服挑战】TSN带来的新可能：解决测量与控制系统的融合和同步难题
测量和控制系统之间的持续融合，将对未来的IIoT应用产生重大的影响。TSN的引入是解决整个系统同步挑战的重要一步。
据悉，到2020年将有多达500亿个设备相互连接起来，专家估计工业部门将占据其中的一半。工业物联网（IIoT）的实施，将为传统的制造企业带来三个方面的优势：
通过预测性维护提高正常运行时间；
利用边缘控制提升性能；
通过连接获得的真实数据，来改进产品设计和制造工艺。
过去，工厂最关键资产的正常运行时间，通常取决于某行业专家的手动检查。但不幸的是，现在这些专家越来越稀缺，因此手动监控并不适合扩展到整个企业范围。据估计，现在企业每天收集的数据，只有5%用于分析，而IIoT的实施将有助于使用分析和机器学习预测资产剩余的使用寿命，并在代价高昂的故障出现之前，提前规划好维护活动。
IIoT带来的第二个好处是改善和优化性能。在生产线或现场部署的智能设备，必须能够根据从上游其它设备上接收到的信息，例如温度或生产量调整其参数。提高这些系统性能的最佳方法是在机器或资产方面实现完全自治。在这种情况下，如果机器可以学习，无论是从其它机器或通过自己的 “经验”，那么它们就可以自动调整控制参数，并更好地适应周围的环境。
IIoT的最终好处是改进了产品的设计和生产。这有时被称为“用于研发的IIoT”。现实世界中的数据 (如使用数据) 被反馈到工程中，以改善下一代产品。这不仅仅是获取数据，还需要有效地管理数据以获得有价值的信息。例如，捷豹路虎公司拥有数百名工程师，每天生成总计超过 500 GB的时间序列数据。此前，该公司仅分析了这些数据的10% ，但在实施IIoT解决方案后，它将数据分析的覆盖率提高到了95%。现在，它可以在较短的时间内解决更多的设计问题。
TSN是标准以太网的演化，包括基于时间的同步、流量调度和系统配置。
边缘智能的需求
为了实现IIoT的优势，设计团队必须依靠几种核心技术。无论是建立在线监控系统、智能生产制造设备，还是测试物理机电系统，其中关键的共性都是对边缘智能的需求。系统越复杂，就越需要实时做出决策。例如，在风力涡轮机叶片机构测试的过程中，能够获得大量的高分辨率模拟量波形数据是至关重要的，因为只有这样才能了解实际行为的特点。同时，需要对这些数据进行处理，以便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的专家估计，IIoT创建的数据，至少有40%将在边缘区域被存储、处理、分析和操作，这一点不足为奇。
为了使性能最大化，并减少不必要的数据传输，必须将决策权下放到部署在“物”上或接近“物”的边缘节点上。在部署实施这些系统时，特别是随着系统物理规模的增长以及传感器数量的增加，出现了新的挑战。再回到前面结构测试的实例，为了了解风力涡轮机叶片如何运转，整个结构需要配置传感器来测量应变、压力、负载和扭矩。这些传感器都产生模拟信号，必须利用高速、高分辨率的测量来获取最有价值的信息。对于这样的大型应用，可能需要在整个系统中配置成百上千个传感器。采集这些数据时，必须实时处理，以便为控制系统的所有执行器提供设定值。
在开发这样系统的过程中，可能会出现一些挑战:
需要同步数以千计的通道和众多的测量系统；
需要同步控制和测量系统，以便在正确的时间发出所有的驱动指令。
随着系统的扩展，将有越来越多的测量和控制功能增加到应用中，这些挑战会被进一步夸大。将测量系统与其它测量系统同步，将控制系统与其它控制系统同步，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，其中物理布线用于将公共时间基准或信号传输到分布式节点。不幸的是，这种方法在距离和可扩展性上有其局限性，并且会有噪音的风险。
TSN的一个重要方面是时间关键通信和其它以太网通信的融合
TSN带来新的可能性
另一个选择，是利用构建在通用标准 (如以太网) 之上的协议。以太网提供了开放性和互操作性，但没有延迟或带宽方面的保证。为了解决这一难题，开发了以太网的自定义版本，通常称为硬实时以太网。EtherCAT、Profinet 和EtherNet/IP 都是典型的例子。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性能和控制。然而，每个变体都包括对网络基础设施的硬件和软件的修改，这不仅会增加成本，而且意味着不同供应商的不同设备无法在同一网络上运行。
现在，能够解决同步问题的新技术已投入市场，它被称为时间敏感网络(TSN)。TSN是标准以太网的一种进化，它提供了开放性和互操作性，但增加了有限的滞后时间和由硬实时以太网提供的带宽保证。具体地说， 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，可提供亚微秒级的网络同步。此外，流量调度和系统配置提供了确定性数据通信，因此用户可以在整个网络上调度和优先处理时间关键数据 (如控制信号)。
TSN的一个重要方面是时间关键通信和其它以太网通信的融合。由于TSN是标准以太网的进化，所以时间同步和确定性通信的新功能，可以运行在与其它网络通信相同的网络上。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，同时更新远程用户界面终端和支持文件传输。
TSN有助于许多工业关键应用的改善，例如过程和机器控制，在这种情况下，低通信延迟和最小抖动，对于满足闭环控制要求至关重要。基于时间的以太网同步，也最大限度地减少了在监视应用和物理系统测试(如上述的结构示例)中所需使用的电缆线，从而诞生了更简单、更经济高效的解决方案，同时还不以牺牲可靠性为代价。
TSN的引入向解决整个系统同步难题迈出了一大步。在开发这些系统时，另一个需要关注的事项是降低整个系统的复杂性，同时维持或提高可靠性。用户可以开发应用基于TSN的测量和控制系统，但是在各自的环境中编程并处理它们各自的数据收集机制，仍然是一个挑战。
克服挑战
可编程逻辑控制器 (PLC)使用IEC 61131-3的编程语言，可对单点数据进行操作。这种类型的数据非常适合控制应用，但不适合获取信息（需要波形数据）。同样，测量系统使用波形数据进行工作，以提供所需的信息，但并不适合于发送单点控制信号或对其进行确定的反应。
过去几年里，测量和控制系统正在逐渐融合。每个系统都增加了新的功能，以便更多的测量系统可以做一些控制功能，反之亦然。测量和控制系统这种持续的融合，将对未来的IIoT应用产生重大的影响。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个软件工具链来获取、处理、记录和响应传入的数据。
拥有独立的测量和控制系统使系统更加复杂，因为必须创建两个独立的系统，而这通常需要使用不同的软件工具。然后，再将这些系统集成在一起，会产生额外的布线以及其它需要考虑的相关因素。
相反，应该考虑一个完全整合的测量和控制平台。这样的平台需要提供测量系统的测量宽度、精度、信道可扩展性和 I/O 同步需求，以及控制系统的可定制性。通过这样一个平台，测试工程师、维护经理和机器设计者都将拥有必要的工具，以充分受益于IIoT，同时降低部署的成本和复杂性。
本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年7月刊《技术文章》栏目，原标题为：TSN：解决测量和控制系统的同步难题
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