實驗平臺名稱

TSN（Time Sensitive Networking）測試床

發起單位

華為技術有限公司

合作公司

Fraunhofer

1　實驗平臺目標和概述

低時延開始逐步成為影響業務的指標，隨著網絡作為基礎設施的覆蓋范圍和應用深度增加，網絡時延逐漸成為瓶頸，影響業務承載。

傳統網絡低時延的極限在ms級，網絡復雜化加劇時延問題，如接入認證等多業務處理引入時延、防火墻等安全策略加劇問題，基于現有架構的解決方案已接近極限。

制造業的通信演進深入地融合了行業特性，與傳統網絡相差較大：

（1）工業現場總線生命力旺盛

·  傳感器、驅動控制器帶動工業現場總線持續增長，協議簡單、低成本、高可靠是其優勢；

（2）場景復雜，接口、線纜、布線方式各異

·  高溫、醫療抗菌、食品衛生、本安防爆等場景復雜；

·  Picotype：M8、Eurotype：M12、Minitype：7/8接口各異；

（3）工業以太網標準多，廠商主導力量大

·  實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全、網絡安全等不同的技術對應不同的以太標準 ；

·  廠商影響力主導標準使用范圍，標準的區域化特征明顯。

傳統工業底層網絡協議復雜，不同行業對物理網絡的要求（實時以太、運動控制、分布式自動化）不同。

實現智能制造，ICT能力與OT的融合是關鍵，TSN為基礎能力：

·  海量數據的產生：傳感器信息采集、動作執行記錄；

·  數據的實時傳輸：協議的對接轉換，數據的同步；

·  數據的實時分析：海量數據剝離，實時數據本地處理；

·  應用生態的構建：工業云如何構建，應用的快速開發。

TSN意圖在底層實現架構標準化，在軟件層面對各個行業進行適配。TSN的六大關鍵技術點：

·  時間同步：引入AVB標準并改進；

·  幀優先：幀截斷及插入（Frame Pre-emption）；

·  流量調度：802.1Qbv，流量類型劃分，QoS；

·  SRP安全：Security Remote Password，實現遠程配置；

·  逐一串流過濾及管理：流量控制，防止單點過載；

·  幀復制及消除：鏈路故障下的高可靠。

TSN測試床即驗證在智能制造場景下工業實時網絡的關鍵特性和能力。

2　應用場景介紹

2.1　預期成果

實驗平臺利用TSN實時網絡技術，改造傳統工業網絡，實現：

·  減少時延：實現微妙級時延，納秒級時鐘同步；

·  高帶寬：GB+數據傳輸，滿足工業互聯網大容量數據傳輸要求；

·  互通性強：基于標準以太網，互通簡單，減少廠商對接和數據收集難度。

2.2　商業價值

工業互聯網推動傳統工業打破煙囪式結構，推動向水平分布式結構轉變，加強互聯，實現多系統協同。實時網絡在其中作用巨大，預計到2019年工業互聯網網絡總空間約95億美金。

TSN實時網絡可對存量市場和快速新增市場帶來巨大的商業價值，提升工業廠商的生產效率，降低管理維護成本，為智能制造、柔性生產打下基礎。

2.3　社會價值

華為預測，到2025年，全球將會有1000億個連接。這些系統將會產生龐大的數據，比如倫敦地鐵軌道系統維多利亞線的狀態監測解決方案每天產生32TB 的數據。這些模擬大數據將通過分析和處理來驅動正確的業務決策，最終提高安全性、正常運行時間和運行效率。

對于部分場景，如交通、電力、精密制造等，時間要求嚴格的重要數據必須在嚴格的延遲和可靠性規定內進行傳輸和共享。這包括重要控制和故障檢測數據，不管其他網絡流量如何，這些數據都必須及時進行處理、共享和采取措施。

今天的大部分網絡基礎設施并不具備處理此類時間敏感型數據的能力。許多工業系統和網絡根據普渡模型的控制層次結構來進行設計，需要創建和優化多個可靠的總線層來滿足特定任務的需求。每個總線層的延遲、帶寬、服務質量各不相同，使得實現互操作性非常困難，即時傳輸重要數據也變得幾乎不可能。此外，目前專用以太網網絡的帶寬有限，需要對硬件進行改良。

TSN技術很好地滿足下一代工業系統的需求，并從根本上改進我們運行機器、電網和交通軌道系統的方式，為智能制造、智能電力等工業發展做出重要貢獻。

3　實驗平臺技術可行性

3.1　TSN方案架構

TSN方案一期總體架構如下圖所示：

用戶通過人機接口進行完成目標產品（巧克力）選定, 邊緣智能節點（智能產品、機器人、傳送帶）在TSN網絡中利用數字雙胞胎技術和開放互聯協議協商完成目標產品的生產（巧克力擺放）。驗證TSN 802.1和OPC UA C/S模式關鍵技術。

TSN方案二期總體架構如下圖所示：

（1）場景創新

· 預測性維護：收集機床的各種數據，在Edge進行簡單的預測分析并與Cloud聯動，進行深度分析；

· 運動控制：不同廠家的機械臂進行精確協同；

· vPLC：在EC中提供可視化PLC環境，并提供平臺運行不同廠商的虛擬化PLC。

（2）功能增強

· 基于ODL的CNC控制器（后續演化到AC）；

· OPC UA 1：N Pub/Sub模式；

· TSN網絡的自動配置（Plug&Play)，除標準的802.1 Qcc中的SRP動態配置外，加入SoN技術；

· TSN可靠性（802.1 CB協議優化） ；

· TSN與XE融合，組建大規模可確定性網絡。

3.2　邊緣計算平臺

邊緣計算TSN平臺系統架構如下圖所示：

邊緣計算TSN交換機規格參數：

3.3　AC敏捷控制器軟件平臺

（1）基本功能：海量I/O設備管理，設備即插即用，設備固件升級，設備狀態監控，性能管理，告警管理；

（2）網絡管理：L2 & L3網絡管理，L4~L7策略管理，WLAN/3G網絡接口管理，流量監控及統計，計算能力管理；

（3）VM/容器生命周期管理；

（4）APP生命周期管理；

（5）開放：支持RESTful北向接口，基于SDN開放框架，支持與3方APP及IOT平臺集成。

3.4　Rethink Robotics機器人

實驗平臺采用Rethink Robotics機器人型號為BAXTER協作機器人，具有以下特點：

（1）柔順、安全，友好的人機互動；

（2）無需編程-操作人員可手動引導機器人進行動作；

（3）充分勝任重復性的工作；

（4）更加智能，可方便集成到現有工業自動化系統中。

3.5　Ixia TSN測試仿真環境

實驗平臺采用Ixia測試環境，實現如下功能:

·  Simulate Talker based on Qbv schedule

·  Simulate 802.1AS-rev Master and Slave devices

·  Simulate multiple gPTP domains on same port

·  Analyse DUT TSN traffic in gPTP time base

·  Simulate out of domain interfering traffic

Ixia設備及功能結構圖如下:

3.6　實驗平臺演進計劃

實驗平臺分兩個階段演進：

Phase-1：實現TSN及OPC UA基本功能。

·  802.1基礎功能（802.1AS，802.1Qbv，802.1Qcc，802.1Qbu，802.1CB）；

·  OPC UA C/S模式。

Phase-2：vPLC場景創新，TSN配置及OPC UA功能增強。

·   在EC中提供可視化PLC環境，并提供平臺運行不同廠商的虛擬化PLC；

·  基于ODL的CNC控制器（后續演化到AC）；

·  OPC UA 1：N Pub/Sub模式。

4　和ECC技術及測試臺的關系

4.1　ECC邊緣計算總體架構

工業機器人預測維護方案匹配ECC邊緣計算總體架構，如下圖：

5　交付件

TSN解決方案（包括Rethink Robotics機器人，邊緣計算網關/TSN交換機，TSN測試仿真系統）。

6　實驗平臺使用者

相關單位可利用實驗平臺搭建TSN實時工業網絡，通過合適接口設計，完成實驗平臺集成，歡迎更多伙伴加入本實驗平臺。

摘自《自動化博覽》2018年8月刊