实验平台名称

TSN（Time Sensitive Networking）测试床

发起单位

华为技术有限公司

合作公司

Fraunhofer

1　实验平台目标和概述

低时延开始逐步成为影响业务的指标，随着网络作为基础设施的覆盖范围和应用深度增加，网络时延逐渐成为瓶颈，影响业务承载。

传统网络低时延的极限在ms级，网络复杂化加剧时延问题，如接入认证等多业务处理引入时延、防火墙等安全策略加剧问题，基于现有架构的解决方案已接近极限。

制造业的通信演进深入地融合了行业特性，与传统网络相差较大：

（1）工业现场总线生命力旺盛

·  传感器、驱动控制器带动工业现场总线持续增长，协议简单、低成本、高可靠是其优势；

（2）场景复杂，接口、线缆、布线方式各异

·  高温、医疗抗菌、食品卫生、本安防爆等场景复杂；

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

（3）工业以太网标准多，厂商主导力量大

·  实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全、网络安全等不同的技术对应不同的以太标准 ；

·  厂商影响力主导标准使用范围，标准的区域化特征明显。

传统工业底层网络协议复杂，不同行业对物理网络的要求（实时以太、运动控制、分布式自动化）不同。

实现智能制造，ICT能力与OT的融合是关键，TSN为基础能力：

·  海量数据的产生：传感器信息采集、动作执行记录；

·  数据的实时传输：协议的对接转换，数据的同步；

·  数据的实时分析：海量数据剥离，实时数据本地处理；

·  应用生态的构建：工业云如何构建，应用的快速开发。

TSN意图在底层实现架构标准化，在软件层面对各个行业进行适配。TSN的六大关键技术点：

·  时间同步：引入AVB标准并改进；

·  帧优先：帧截断及插入（Frame Pre-emption）；

·  流量调度：802.1Qbv，流量类型划分，QoS；

·  SRP安全：Security Remote Password，实现远程配置；

·  逐一串流过滤及管理：流量控制，防止单点过载；

·  帧复制及消除：链路故障下的高可靠。

TSN测试床即验证在智能制造场景下工业实时网络的关键特性和能力。

2　应用场景介绍

2.1　预期成果

实验平台利用TSN实时网络技术，改造传统工业网络，实现：

·  减少时延：实现微妙级时延，纳秒级时钟同步；

·  高带宽：GB+数据传输，满足工业互联网大容量数据传输要求；

·  互通性强：基于标准以太网，互通简单，减少厂商对接和数据收集难度。

2.2　商业价值

工业互联网推动传统工业打破烟囱式结构，推动向水平分布式结构转变，加强互联，实现多系统协同。实时网络在其中作用巨大，预计到2019年工业互联网网络总空间约95亿美金。

TSN实时网络可对存量市场和快速新增市场带来巨大的商业价值，提升工业厂商的生产效率，降低管理维护成本，为智能制造、柔性生产打下基础。

2.3　社会价值

华为预测，到2025年，全球将会有1000亿个连接。这些系统将会产生庞大的数据，比如伦敦地铁轨道系统维多利亚线的状态监测解决方案每天产生32TB 的数据。这些模拟大数据将通过分析和处理来驱动正确的业务决策，最终提高安全性、正常运行时间和运行效率。

对于部分场景，如交通、电力、精密制造等，时间要求严格的重要数据必须在严格的延迟和可靠性规定内进行传输和共享。这包括重要控制和故障检测数据，不管其他网络流量如何，这些数据都必须及时进行处理、共享和采取措施。

今天的大部分网络基础设施并不具备处理此类时间敏感型数据的能力。许多工业系统和网络根据普渡模型的控制层次结构来进行设计，需要创建和优化多个可靠的总线层来满足特定任务的需求。每个总线层的延迟、带宽、服务质量各不相同，使得实现互操作性非常困难，即时传输重要数据也变得几乎不可能。此外，目前专用以太网网络的带宽有限，需要对硬件进行改良。

TSN技术很好地满足下一代工业系统的需求，并从根本上改进我们运行机器、电网和交通轨道系统的方式，为智能制造、智能电力等工业发展做出重要贡献。

3　实验平台技术可行性

3.1　TSN方案架构

TSN方案一期总体架构如下图所示：

用户通过人机接口进行完成目标产品（巧克力）选定, 边缘智能节点（智能产品、机器人、传送带）在TSN网络中利用数字双胞胎技术和开放互联协议协商完成目标产品的生产（巧克力摆放）。验证TSN 802.1和OPC UA C/S模式关键技术。

TSN方案二期总体架构如下图所示：

（1）场景创新

· 预测性维护：收集机床的各种数据，在Edge进行简单的预测分析并与Cloud联动，进行深度分析；

· 运动控制：不同厂家的机械臂进行精确协同；

· vPLC：在EC中提供可视化PLC环境，并提供平台运行不同厂商的虚拟化PLC。

（2）功能增强

· 基于ODL的CNC控制器（后续演化到AC）；

· OPC UA 1：N Pub/Sub模式；

· TSN网络的自动配置（Plug&Play)，除标准的802.1 Qcc中的SRP动态配置外，加入SoN技术；

· TSN可靠性（802.1 CB协议优化） ；

· TSN与XE融合，组建大规模可确定性网络。

3.2　边缘计算平台

边缘计算TSN平台系统架构如下图所示：

边缘计算TSN交换机规格参数：

3.3　AC敏捷控制器软件平台

（1）基本功能：海量I/O设备管理，设备即插即用，设备固件升级，设备状态监控，性能管理，告警管理；

（2）网络管理：L2 & L3网络管理，L4~L7策略管理，WLAN/3G网络接口管理，流量监控及统计，计算能力管理；

（3）VM/容器生命周期管理；

（4）APP生命周期管理；

（5）开放：支持RESTful北向接口，基于SDN开放框架，支持与3方APP及IOT平台集成。

3.4　Rethink Robotics机器人

实验平台采用Rethink Robotics机器人型号为BAXTER协作机器人，具有以下特点：

（1）柔顺、安全，友好的人机互动；

（2）无需编程-操作人员可手动引导机器人进行动作；

（3）充分胜任重复性的工作；

（4）更加智能，可方便集成到现有工业自动化系统中。

3.5　Ixia TSN测试仿真环境

实验平台采用Ixia测试环境，实现如下功能:

·  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设备及功能结构图如下:

3.6　实验平台演进计划

实验平台分两个阶段演进：

Phase-1：实现TSN及OPC UA基本功能。

·  802.1基础功能（802.1AS，802.1Qbv，802.1Qcc，802.1Qbu，802.1CB）；

·  OPC UA C/S模式。

Phase-2：vPLC场景创新，TSN配置及OPC UA功能增强。

·   在EC中提供可视化PLC环境，并提供平台运行不同厂商的虚拟化PLC；

·  基于ODL的CNC控制器（后续演化到AC）；

·  OPC UA 1：N Pub/Sub模式。

4　和ECC技术及测试台的关系

4.1　ECC边缘计算总体架构

工业机器人预测维护方案匹配ECC边缘计算总体架构，如下图：

5　交付件

TSN解决方案（包括Rethink Robotics机器人，边缘计算网关/TSN交换机，TSN测试仿真系统）。

6　实验平台使用者

相关单位可利用实验平台搭建TSN实时工业网络，通过合适接口设计，完成实验平台集成，欢迎更多伙伴加入本实验平台。

摘自《自动化博览》2018年8月刊