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馬鋒:摩莎科技的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐與TSN技術(shù)探索

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 ? 來源:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟 ? 作者:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián) ? 2021-03-12 17:27 ? 次閱讀
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感謝工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(以下簡稱“聯(lián)盟、AII”)提供的這個平臺,聯(lián)盟成立五年來,認(rèn)識了很多朋友,也與眾多大咖學(xué)習(xí)到了很多的知識。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從提出到全面開花,離不開中央的領(lǐng)導(dǎo)、聯(lián)盟的引領(lǐng)和各位會員的努力。在聯(lián)盟的引導(dǎo)下,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)百花齊放,從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)到云端應(yīng)用,從標(biāo)識解析到AI應(yīng)用在各方面蓬勃發(fā)展。聯(lián)盟為大家提供了一個非常好的交流平臺,聯(lián)盟各工作組輸出的成果非常實用含金量很高,聯(lián)盟組織的活動非常豐富效果很好,與會的各位專家也不吝分享著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最前沿的思想,碰撞出智慧的火花。摩莎(Moxa)公司作為理事成員單位,一直陪伴著聯(lián)盟的成長。幾年來一直積極參與聯(lián)盟的各項活動,從全會到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會,一直緊跟聯(lián)盟步伐,實踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。同時摩莎(Moxa)公司一直秉持穩(wěn)定可靠是工業(yè)通信的基礎(chǔ)這個理念,持續(xù)提供工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備通信領(lǐng)域的服務(wù),截至2020年底已經(jīng)為超過數(shù)百個國內(nèi)智能制造試點/標(biāo)桿企業(yè)提供了廠內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃服務(wù)與產(chǎn)品,并獲得了一致好評。項目涵蓋重工、輕工等多個行業(yè),協(xié)助手機零件生產(chǎn)商解決了訂單季節(jié)性變化導(dǎo)致的產(chǎn)能擴張與收縮問題,也協(xié)助四川老牌電子企業(yè)完成了具有多元信息下發(fā)及生產(chǎn)采控一體化要求的工業(yè)支撐網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐中,摩莎(Moxa)尤其重視工廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠的特性,并承諾提供5年質(zhì)保服務(wù),協(xié)助工業(yè)企業(yè)客戶解決了許多現(xiàn)場通信難題,從工業(yè)現(xiàn)場的PLC通信到 MES/WMS系統(tǒng)通信,摩莎(Moxa)產(chǎn)品的高可用率得到了客戶的一致認(rèn)可。

在企業(yè)應(yīng)用平臺建設(shè)項目中頂層規(guī)劃非常重要,若頂層規(guī)劃沒有做好,基礎(chǔ)設(shè)施不夠扎實,網(wǎng)絡(luò)時斷時續(xù)會導(dǎo)致平臺的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,或接收到錯誤的數(shù)據(jù),會給我們決策帶來非常多的困擾。有些甚至?xí)?~2年后推翻以前的基礎(chǔ)設(shè)施方案重新進(jìn)行建設(shè),重復(fù)投資導(dǎo)致嚴(yán)重的浪費。摩莎(Moxa)從工廠實際出發(fā),以穩(wěn)定可靠為第一衡量指標(biāo),從頂層架構(gòu)開始進(jìn)行規(guī)劃,為客戶提供廠內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。在做整廠的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時,我們關(guān)注工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與PLC協(xié)議的兼容性,讓PLC協(xié)議可以流暢通信,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫嫖覀兏幼⒅胤€(wěn)定性與可靠性,規(guī)劃的環(huán)網(wǎng)路徑邏輯清晰,施工簡單,維護(hù)查線方便,一旦線路出現(xiàn)問題也可以在20毫秒內(nèi)恢復(fù)通信,為維護(hù)人員爭取寶貴的維修時間。

我們都知道,作為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分,需要長年累月的提供服務(wù),而對于電子產(chǎn)品來說這是不現(xiàn)實的,為什么商用電子設(shè)備保修時間是1~2年?就是因為有太多干擾因素讓設(shè)備極易損壞,例如我們身上帶的靜電、設(shè)備啟動和停止時所產(chǎn)生的異常電流電壓,其實電子零件在承受超過15VDC的電壓時就會有損壞的可能,有些當(dāng)時還看不出來,還可以承受一定的時間,當(dāng)異常電信號長時間地沖擊電子零件就會讓設(shè)備的使用壽命大大縮短。同時我們按照摩爾定律思考一下,電子設(shè)備的更新?lián)Q代是非??斓?,一到兩年后損壞的電子設(shè)備就算想找原廠修復(fù),廠商也可能買不到原先設(shè)計時匹配良好的零件來進(jìn)行修理,只能用當(dāng)前市面上規(guī)格一樣的零件做替換,這樣就又增加了兼容性風(fēng)險。如果不愿意承擔(dān)這樣的風(fēng)險,只能更換一臺機器。還有在工業(yè)現(xiàn)場更換機器其實也是非常麻煩的。首先要預(yù)約維修的時間,生產(chǎn)線停止運行、工人下班后才可以進(jìn)行更換。一般情況下更換的時間也只有半小時到一小時。這樣對維護(hù)人員的操作熟練度也會非常有考驗。摩莎(Moxa)公司的產(chǎn)品就避免了這些問題,在做設(shè)備設(shè)計時就融入30多年工業(yè)現(xiàn)場通信經(jīng)驗,研發(fā)出無風(fēng)扇、高可用、EMC抗擾度良好,平均無故障時間(MTBF)長的產(chǎn)品,讓客戶可以安心放心。

在為廣大企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品與服務(wù)時,我們也投入了對前沿通信技術(shù)時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的研發(fā),摩莎于2020年7月30日發(fā)布了工業(yè)級TSN交換機,并且參與了4個全球最具影響力的機構(gòu)主辦的TSN測試項目,包含美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)、德國Labs Network Industrie 4.0(LNI4.0)、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)TSN互聯(lián)互通測試以及白皮書的編寫工作,為聯(lián)盟的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

TSN (Time-Sensitive Networking)就是時間敏感網(wǎng)絡(luò)的直譯,它最初來源于視頻/音頻領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因為視頻和音頻在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時會分為視頻流和音頻流分別進(jìn)行傳送,兩個數(shù)據(jù)流在到達(dá)接收方的時候,可能會有音頻和視頻不同步,因此就誕生了AVB音頻視頻橋接任務(wù)組。在2012年AVB任務(wù)組擴大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍,并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。TSN技術(shù)是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),具有時間同步功能,低時延等確定性網(wǎng)絡(luò)的功能。

可能有人會簡單地認(rèn)為這是一個新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),但實際上這會給我們常用的以太網(wǎng)絡(luò)帶來一個革命性的變化。會改變我們一直使用了50多年的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),那就是確定性網(wǎng)絡(luò)。

在非確定性網(wǎng)絡(luò)中,就是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)是一個“盡力而為”的技術(shù),這種傳輸標(biāo)準(zhǔn)是無法保證數(shù)據(jù)的正確傳輸?shù)?,只能做到“盡力而為”。例如帶寬從下圖可以看到,在一條電纜上傳輸?shù)那樾巍?/p>

如果在一條電纜上傳輸信號有沖突怎么辦?以太網(wǎng)的處理機制如下:

簡單解釋就是有沖突的就丟棄掉,讓發(fā)送端重發(fā),這樣就造成了帶寬浪費,數(shù)據(jù)承載力下降等問題。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常包括集線器、交換機、路由器等,它們都使用“盡力而為”的方式來傳輸數(shù)據(jù)包,在大多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)可以按照順序一個個地傳輸數(shù)據(jù)包,但成功的概率并不能得到保證,在數(shù)據(jù)少的時候可以得到預(yù)期的結(jié)果,數(shù)據(jù)多的時候就會有問題。這種“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)對于網(wǎng)頁瀏覽的普通應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了,一般情況下大概等上幾秒鐘,我們也不會覺得有什么問題。但對工業(yè)控制應(yīng)用還無法達(dá)到要求,工業(yè)級的控制應(yīng)用需要更高的可用性、零丟包以及更低延遲的特性。如果不能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)包成功送達(dá),就可能出現(xiàn)問題。盡管“盡力而為”模式下的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò),能夠提供比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線更高的帶寬,但它并不適合要求高精度高可用的工業(yè)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包都是統(tǒng)一排隊,但在隊列過多的時候,就會有數(shù)據(jù)丟失。就像高速公路堵車一樣,大家都堵在一條路上,誰也無法前進(jìn),如果這時候有需要緊急通行的數(shù)據(jù)包,但是由于路已經(jīng)完全堵死,這個數(shù)據(jù)包同樣也無法發(fā)出。

與“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)不同的確定性網(wǎng)絡(luò)提供了準(zhǔn)時、必達(dá)二個最主要的特點外還有以下幾個特征。

來源:Moxa時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)如何推進(jìn)工業(yè)自動化的變革.pdf

首先第1個是時間同步,網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備使用統(tǒng)一時間之后,大家的控制動作就會更加準(zhǔn)時,不會有誤差出現(xiàn)。第2個要有資源預(yù)留,當(dāng)我們保障重要的應(yīng)用可以獲得需要的資源時,才能夠保障應(yīng)該執(zhí)行的動作可以確定執(zhí)行。第3個是極低的丟包率,TSN的技術(shù)并不是不會發(fā)生丟包,它丟掉的是一些不重要的、背景流量數(shù)據(jù)包,重要的數(shù)據(jù)是會在固定可預(yù)期的時間準(zhǔn)確送達(dá)的,第3點是保證端對端傳送的帶寬和低延時,因為對固定的數(shù)據(jù)提供了特有的傳輸通道,也對他們的傳輸時間做了精準(zhǔn)的分配,因此可以保障重要的數(shù)據(jù)在關(guān)鍵時刻送達(dá)。

TSN不是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議它是一組協(xié)議,總體上分為4個部分。

第1個就是同步,包括對時和時間同步機制。第2個是低延時,在802.1Q系列標(biāo)準(zhǔn)中擴充了整形器、幀搶占、流量調(diào)度、異步流量整形等。在一條線纜上面?zhèn)鬏敻叩碗娖降牟煌盘?,那么誰先傳誰后傳,TSN就需要進(jìn)行預(yù)先的安排,這時候的流量整形、幀搶占以及流量調(diào)度就起了非常重要的作用。第3個在可靠性保障方面TSN提供了幀復(fù)制和消除機制、路徑控制和預(yù)留、流量過濾和管理等。針對可靠性通信保障,TSN先天就支持多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并且使用的傳輸路徑不是同一條路徑,因此接收方會收到兩條數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比,使用傳輸正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行運算。這時候可靠性的幀消除和復(fù)制協(xié)議就體現(xiàn)了它的作用。面對這么多協(xié)議如何來使用呢?第4個方面就提供了管理功能,有流預(yù)留協(xié)議、TSN配置、基本的YANG協(xié)議以及資源分配協(xié)議等等,讓我們可以更好的使用TSN。

對于底層硬件來說,由于TSN是對整體傳輸方式的變革,硬件芯片也會發(fā)生改變,也就是說物理層與數(shù)據(jù)鏈路層都會改變。摩莎(Moxa)科技作為OPC基金會現(xiàn)場級通訊(FLC)指導(dǎo)委員會的創(chuàng)始成員之一,全力支持將TSN等OPC統(tǒng)一架構(gòu)擴展到現(xiàn)場級的倡議。

鑒于TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定的時間不長,有一些廠家技術(shù)還未跟上,TSN的成本還有些偏高。同時要想營造整個TSN網(wǎng)絡(luò)的大環(huán)境,需要控制器廠商的TSN設(shè)備,需要通信廠商的TSN交換機、路由器,也需要服務(wù)器廠商提供支持TSN的服務(wù)器。形成整體效應(yīng)后,才可以推動整個產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。我們也歡迎有實力有預(yù)見性的企業(yè)和我們一起在TSN技術(shù)發(fā)展的道路上共同探索,共同前進(jìn)。

除了TSN技術(shù)之外,摩莎(Moxa)還投入力量在工業(yè)通信領(lǐng)域的5G應(yīng)用研究上,目前在和國內(nèi)知名企業(yè)共同研究工業(yè)現(xiàn)場的5G通信技術(shù)。同時在AI應(yīng)用方面,摩莎(Moxa)公司也有諸多實踐,當(dāng)前已經(jīng)在影像識別領(lǐng)域完成了產(chǎn)品標(biāo)簽AI檢測應(yīng)用,在聲音識別領(lǐng)域完成了紡機斷線提前預(yù)判的應(yīng)用,在智能生產(chǎn)方面進(jìn)行了摩莎(Moxa)智能工廠的物流路徑優(yōu)化,品質(zhì)控制以減少浪費,并依據(jù)AI算法修改標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程(SOP)提升工作效率,利用高級排產(chǎn)協(xié)助管理人員合理安排人工與機器開動,努力加速企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

在聯(lián)盟的指引下,摩莎科技以自身特長和經(jīng)驗為依據(jù),為制造型企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化工廠建設(shè)提供更加安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò),與社會各界一起為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦貢獻(xiàn)力量。

責(zé)任編輯:lq

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原文標(biāo)題:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨馬鋒:摩莎(Moxa)科技的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實踐與TSN技術(shù)探索

文章出處:【微信號:AII_20160201,微信公眾號:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案:賦能產(chǎn)業(yè)升級,推動智能制造

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案:賦能產(chǎn)業(yè)升級,推動智能制造 隨著科技的飛速發(fā)展,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物,正逐步成為推動制造業(yè)
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    邁威通信攜手中國信通院:探索TSN技術(shù)新路徑,加速產(chǎn)業(yè)智能化升級

    近日,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)組主席、中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部副主任張恒升蒞臨邁威通信進(jìn)行參觀交流。此次訪問旨在深入了解公司在時間敏感網(wǎng)絡(luò)(
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    邁威通信攜手中國信通院:<b class='flag-5'>探索</b><b class='flag-5'>TSN</b><b class='flag-5'>技術(shù)</b>新路徑,加速產(chǎn)業(yè)智能化升級

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組成

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常由以下幾個關(guān)鍵組成部分構(gòu)成: 設(shè)備和傳感器:這是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),包括各種機械設(shè)備、生產(chǎn)工具、智能傳感器等。這些設(shè)備能夠?qū)崟r收集關(guān)于自身狀態(tài)、運行參數(shù)或環(huán)境數(shù)據(jù)的信息
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