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CC-Link IE TSN推動工業物聯網發展
來源:轉載 | 作者:7kmotor | 發布時間: 2019-07-03 | 1213 次瀏覽 | 分享到:
CC-Link IE TSN是首款應用TSN技術的工業網絡,本文介紹了工業總線網絡的發展過程,以及CC-Link IE TSN網絡的技術特點及應用領域。
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引言


隨著工業物聯網(IIOT)在全球范圍內的興起,在未來的工業體系中,根據客戶不同的需求,配方、設計、生產都需要進行快速地響應,真正實現柔性、定制化的生產,同時還需要提高產品質量,提高產能,降低綜合成本等等。為了實現這種“變種變量”的生產,屆時將會有越來越多信息需要進行收集與處理,譬如運營、訂單、物料、生產現場、物流等等,因此IT(Information Technology)與OT(Operational Technology)之間的聯系需要更加的緊密。CC-Link IE TSN作為全球最早推出的基于TSN(Time Sensitive Networking)技術的工業網絡,順應了時代的潮流。

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工業網絡的發展


在整個工業的發展中,從工業2.0的電氣自動化開始,工業網絡在整個工業體系中就起著不可替代的作用。在工業總線網絡普及之初,最早開始占領市場的是基于RS-232的串口通信,但是在使用過程中存在各種各樣的問題:首先是共模干擾的問題,其次因為是其規定的最大電容為2500pF,極大限制了它的傳輸距離和傳輸速率,在現場使用過程中的可靠通訊距離僅為15m,通訊速率在20Kbps左右,同時點對點的通訊方式也很難滿足工業產線的需求。

為了解決距離和速率的問題,基于RS-485的串口通信誕生了,它在RS-232的基礎上優化了收發方式并采用二線制實現1對N的通訊,通訊速率也提高到最快10Mbps,距離總長可達1000m以上。雖然通訊由全雙工轉換成半雙工,但是更加符合工業場景對實時性的要求。目前市面上有非常多基于RS-485的工業總線網絡,比如CC-Link、Profibus、Modbus、CANopen等總線協議。

到了20世紀末期,工業再次得到極大的提升,Mes系統、ERP系統、SCADA系統等應用對于生產現場傳輸的數據量及速度的要求有了更進一步的需求,同時互聯網的火熱也極大地影響了工業網絡,各家開始推出了基于標準以太網的工業網絡,比如CC-Link IE、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethercat、Ethernet/IP等等。這些網絡通過使用標準的網線、連接器以及靈活的拓撲結構,極大方便了現場施工,同時通訊距離與速率再次得到了提升,設備間距離擴展到100m,速率也可達到100Mbps,甚至1Gbps。

近年來隨著工業物聯網的落地,越來越多基于IT的應用軟件需要與現場的OT信息進行交互,對于網絡的速度與數據量再次形成了嚴苛的挑戰,同時市場對普通以太網設備的使用、驅動設備的高精度有了更高的要求。基于這些原因,TSN技術正式進入工業網絡領域。CC-Link IE TSN作為最早應用TSN技術的工業總線網絡,在滿足IT與OT融合的情況下,提供更快的網速、更大的數據容量以及更高的網絡利用率。

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CC-Link IE TSN技術特點


3.1.  控制信息與生產管理信息的融合

CC-Link IE TSN對現場設備的控制信息提高其高優先度,相對于生產管理信息優先分配帶寬,實現了利用實時循環通信控制現場的設備,在確保控制信息實時性的同時還可以直接通過TCP/IP協議從終端設備獲取信息,兩種協議共存于同一網線內且互不干擾,不僅節省了現場配線成本,同時更是真正實現了IT與OT的融合。

圖 1 TSN技術及協議層


3.2.  系統設置及修復的快捷性

SNMP作為通用的簡單網絡管理協議,也與CC-Link IE TSN相兼容,使用對應SNMP的普通以太網診斷工具不僅可以方便的監視CC-Link IE TSN的兼容產品,也可以對普通以太網的交換機、工業相機、震動檢測等設備進行數據收集并分析,同時也為人工智能提供大數據。

通過采用TSN規范中的時鐘同步協議(參考IEEE802.1AS和IEEE1588V2),可以對各個兼容產品之間的時間進行校準,保持其高精度的同步。利用CC-Link IE TSN兼容產品的時鐘同步功能,可以在運行日志中快速明確故障時間點,幫助大家識別異常原因并快速恢復網絡正常,與此同時還可以向上位IT系統提供現場狀況以及相對應的準確時間,通過分析耗電量、震動情況等信息對現場設備進行預維護或提前更換,大幅降低維護成本。

3.3.  生產節拍提高與網絡最大利用率

CC-Link IE TSN可以實現最小31.25μs的鏈接掃描周期,在工業現場能夠極大縮短生產節拍,提升整廠的生產能力。不僅如此,CC-Link IE TSN通過使用時間分割(IEEE802.1Qbv)實現在同一個網絡中定義多種連接掃描周期,針對不同產品的特性設置相對應的鏈接掃描周期,比如對伺服系統、安全設備等可以定義高速周期,而對溫濕度傳感器等可使用中速或低速周期,從而實現最大的網絡帶寬利用率,提高整廠產能。

3.4.  開發方式的多樣性

CC-Link IE TSN的兼容產品不僅可以通過專用的ASIC或FPGA的硬件方式進行開發,也可以在通用以太網芯片上使用軟件協議棧的方式進行開發,通信速度也可根據產品的特點選擇對應100Mbps或1Gbps,極大方便了設備廠商根據自身條件選擇開發方式。

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CC-Link IE TSN應用場景


采用TSN技術的CC-Link IE TSN在充分利用標準以太網設備的同時,通過重新定義協議實現了高速的控制通信,滿足在各個行業中的應用。比如在汽車行業中,普通和安全通信可在同一條網線上進行混合通信;在半導體行業,大容量的菜單數據及追溯數據也可高速通信,同時與HSMS混合通信也不會對控制信息的定時性造成影響;在鋰電行業中,通過組合通信周期的高速控制(伺服等)和低速控制(變頻器、調溫器等),可確保裝置性能并根據用途選定最佳設備。

圖 2 CC-Link IE TSN系統結構圖


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結束語


TSN技術作為工業網絡技術的發展方向,未來將有越來越多基于TSN技術的網絡誕生,CC-Link IE TSN將會在未來與這些網絡實現互聯互通,推動工業物聯網的發展。


作者:邱曉東 ,中國自動化學會集成自動化技術專業委員會 控制與通信網絡CC-Link工作組

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