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从暗淡走向色盲,5G怎样规行矩步赋能工业互连网

时间:2019-10-19 06:56来源:联系我们
对于工业企业而言,网络切片主要体现三大功能。资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立;功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本方式得到满足;

对于工业企业而言,网络切片主要体现三大功能。资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立;功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本方式得到满足;质量保障则意味着工业互联网在工厂内部的应用将高可靠。

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大场景,其中每个场景都与制造业相关。增强型移动宽带eMBB,可以用于增强或虚拟现实、3D/超高清视频等大流量高速移动宽带业务;而海量机器类通讯mMTC,用于智能抄表、智能农业、过程自动化等大规模物联网业务;而超可靠低时延通讯URLLC,则可以用于无人驾驶、工业自动化控制、移动机器人,远程制造等需要低时延、高可靠连接的业务。而在所有工业应用中,运动控制应该是极有挑战性和高要求的。这就落在URLLC的头上。

而时间进入2019年,TSN在产业界则更多的听到落地的“雨声”:PROFINET最新规范V2.4版本发布,该规范最大亮点是实现了将TSN作为第二层的技术集成到PROFINET架构中的设定目标;新一代网络协议CC-Link IE TSN也差不多同期发布,在全球率先将千兆以太网带宽与TSN相结合,拓展了CC-Link IE基于工业以太网实现企业从信息层到应用层纵向整合的先进通信技术;而在2019年汉诺威工业博览会上,众多产品演示解决方案都昭示着TSN正在掀起工业互联网的浪潮……

02 5G由浅入深赋能工业互联网

这样一来,OPC UA在上层,而TSN主要在下层,二者构成了地板与天花板之间的相互呼应。

全球知名咨询机构“罗兰贝格”在其《拥抱5G新世界》的产业报告中指出:5G通过强大的无线连接、边缘计算和网络切片技术,将助力无线自动化控制、工业云化机器人、预测性维护、柔性生产等行业突破,驱动工业4.0的真正落地,进一步推动未来工厂的诞生。然而,尽管在技术性能指标上5G可以承载工业网络不同的典型业务,但业界普遍认为5G工业应用仍然存在很多关键问题有待解决,包括:网络中断对于工厂设备和生产的影响是不可接受的,需要解决安全性和可靠性;传统生产设备的现场总线和数据采集设备兼容性存在很多问题,改造难度和成本高;针对工业应用场景的URLLC(超可靠、低时延通信) 0.5ms的上下行时延目标难以满足部分强时间敏感性工业应用的要求;等等。

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

在这种场景下,“数字水蜘蛛”出现了。一种实时定位系统RTLS,正在开始以位置+自通讯的视野,进入了数字化工厂。它具有水蜘蛛的感知特性,但更能与上层的管理软件系统直接对话,而且可以指挥。

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移动边缘计算:利用MEC可将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器,其涉及到网络、计算、存储和安全四大方面核心技术。

同样地,OPC UA也不是*的。OPC UA本质上,只是为了解决机器之间的互联互通和互操作,对于更复杂的软件与软件、数据与数据、人与系统等的联接性,则是无能为力的。这意味着,OPC UA之外仍然需要大量的联接性协议(如DDS、oneM2M、HTTP)等加以补充。OPC UA和TSN也是逐步搬迁到机制上。专业通讯的架构,仍然是工厂通讯的核心要害。这需要对设备有着深入的了解。

硬核支持TSN,以太网协议交换方案布局工业未来

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

新的数据自治秩序,呼之欲出。

从雷声大到雨声大,基于以太网的实时通信势在必行

图片 2网络切片(Network Slicing):网络切片是SDN/NFV技术应用于5G网络的关键服务,一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,涵盖所有网段,包括无线网络、有线网络、传输网、核心网、业务应用,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。

这个时代*令人深刻的印象是,大的科技都是在同时并发。5G、Wifi6.0、NB-IoT等这些通讯技术,与物联网大平台、人工智能都交叉前进,呼应着一个数据大时代。

作为高性能工业信号链相关技术的关键提供商,ADI多年前就敏感捕捉到自动化客户对高度可靠的同步网络技术的需求,例如支持汽车制造工厂多组机器人在恶劣嘈杂的条件下井然有序地协同作业的应用环境。为此,ADI在2016年果断收购确定性以太网半导体和软件解决方案的领先供应商Innovasic,大力扩充公司确定性以太网技术和专业知识,为高度同步的工业自动化网络及工业物联网提供强大的实时连接。而彼时,IEEE正在制定全新的时间敏感型网络标准。

基于视觉的照相检测:例如发动机质量检测,传统的生产过程质量检测依赖人工和经验,标准化程度低,人力成本高,且易受主观因素影响,整体效率低,准确度不高。通过产线部署内置5G通信模组的工业相机和边缘计算网关,可以进行移动测量和道边检测。

在宝马、奔驰的车间中,原来是通过单个的传送带将车体送到不同位置进行加工。而通过生产工艺改进和对于RTLS的应用,单轨运输的固定输送线有可能被解放出来。这意味着生产路线可以灵活地进行调适,工厂整个工艺生产布局可以快速调整,柔性化生产将变得更加容易,厂房空间也可以大幅度压缩。这背后需要准确捕捉每个设备、每个工件物料的位置信息,并提供相应服务。

实时以太网交换芯片和处理器之间通过内存总线进行通信,以实现高性能、低延迟/低抖动的工业以太网。内存总线还提供了采用PriorityChannel®技术的主控接口,ADI采用软硬件协同设计开发了这一过滤技术,确保来自以太网的关键数据得到及时处理,而不受协议和网络利用率的影响,因此避免了非时间关键型数据流量的干扰。这意味着,来自实时通道的数据会优先于普通网络数据得到处理。

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

符合工业4.0要求的通讯,并无法立刻全面普及。要获得全面的应用,恐怕还需要十年左右的时间。这对于急性的人们而言,或许显得有点长,但考虑到自动化技术的应用动辄三四十年,这已经算快速的应用了。

如果说部署中的5G为工业智能画下未来的理想愿景,那么基于时间敏感网络改造大量应用于工业制造的以太网则已经就位,相关技术正在促成智能制造落地。ADI系统应用工程师Volker 在两年前曾撰文指出:“TSN势不可挡,而唯一有待确认的是什么时候到来以及以什么形式到来。”而今天,各种势头显示落地已经进入进行时。“通过与TSN特性相结合,ADI在工业网络边缘已经实现了最先进的现场设备通信解决方案。” ADI中国区工业自动化行业市场部经理于常涛在前不久的一次行业交流活动中透露,他提及的先进现场设备通信解决方案是该公司支持多种以太网协议交换的fido5000系列交换平台。

两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

目前,TSN已达到了实用所需的技术成熟度,具有TSN功能的网络组件、通讯处理器、软件和网络管理系统都已经面世。其实,TSN也并非全新的技术,其来源于AVB(Audio Video Bridging)音视频桥接,是由AVnu联盟组织所倡导开发的协议。AVB协议是为保障实现音频和视频数据提供时间同步的、低延迟的和保证带宽预留的流媒体功能。TSN是AVB的进化版,在原有规格的基础上扩大了标准的范围、功能和应用程序。在2017年,工业互联网联盟和Avnu联盟宣布联手,共同推动TSN开放标准设备的部署。这也意味着TSN正在工业领域得到广泛认可。

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图片 41. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

数据的魅力已经得到确认。在这样一个5G时代,各种数据正在四处炸开,像是叮当散落的珠子。大珠小珠落玉盘,各处溅射的数据,更需要一个聚宝盆来盛接。

该SoC芯片面向工业以太网应用的实时以太网多协议交换机,能支持当今所有主要工业协议,利用fido5000现在就可以将产品规划过渡至TSN并同时满足当前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交换机灵活的架构能够适应协议未来的变化,并且支持未来的协议及其他发展,借助fido5000还将使实现OPC UA PUB/SUB成为可能。“利用fido5000系列,用户能够为应对所有工业场景做好准备。” Roger指出。

5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性,令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%,但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年,工业通信连接中无线连接占比将达58%,其中5G将发挥重要作用。

在上海宝武冷轧车间无人“黑灯工厂”中,重载钢卷行车在黑暗而空旷的厂房高空中无声行走,搬运着重达十几吨的钢卷,给人以震撼的感觉。黑暗空间背后同样不可看见的则是西门子等多个自动化厂家提供的控制系统的支撑。在智能制造诸多类似的现场都可以发现,如果没有可靠的驱动与控制、定位系统与通讯系统的协同,难言通讯技术的单刀突破,5G在工厂级的应用和发展也不会例外。

无论是5G还是传统工业以太网改造都需要达到工厂间设备的苛刻性能要求。

传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

看上去,工厂里的无线数据,正在处于准备炸锅的局面。5G在制造业中的应用,变成了一种期待。一些企业开始盼望未来把5G融到工业应用领域中去。

随着Innovasic的整合,fido5000系列工业双端口交换机已被纳入ADI公司产品线。该交换机支持所有相关的工业以太网协议,成为ADI支持TSN应用的最强硬核技术方案。

四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

近几年来,开放平台通讯统一架构OPC UA的标准发展速度很快,一路领跑。2017年底,德国机械制造协会VDMA与弗劳恩霍夫IOSB发布了针对中小型机械制造企业如何导入OPC UA及其策略的导则。导则明确的强调,OPC UA不是自动化实时通讯的另一个标准,而是一种为目前尚处于信息孤岛的设备之间建立附加通讯通道的工具,为不同生产厂商生产的成套装置、机械设备和部件之间提供一种统一的通讯方式。

时间敏感网络是指IEEE 802.1工作组中的 TSN 任务组开发的一套协议标准。该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制,为标准以太网增加了确定性和可靠性,以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。该技术在初期就引起业界的重视,特别是近两年来这个曾经陌生的专业词汇在各种专业媒体上频繁出现,成为工业4.0山雨欲来前的“雷声阵阵”。

室内定位:室内定位是工业领域的普遍需求,目前室内定位基本是蓝牙、激光、UWB三分天下。从算法上看主要有两类,一类TOF/TDOA算法,通过光速乘时间来测距;一类AOA算法,通过智能天线判断信源方向,基于场强角度定位,两种算法的精度差不多,都是分米级别。5G使用新型编码调制、大规模天线阵列等带来的大带宽特性,有利于参数估计,为高精度距离测量提供支持;大规模天线技术,5G基站可实现128个天线阵子,为高精度角度测量提供支持;另外,5G将实现超密集组网,用户信号可被多个基站同时接收,将有利于多基站协作实现高精度定位。通过部署大量5G低功耗定位标签将挑战蓝牙、激光、UWB室内定位地位。

时间敏感网络TSN开始登场,它专门针对不同数据响应速度要求的特点,提供了一种网络弹性的保障机制。例如,在现代工厂控制中,既有大量实时数据的通讯与控制,也有许多监视器的监测,以及各种无线数据,使得现场的数据形成了拥挤的跑道,充满了大量结构化实时信息和非结构化信息等各种不同类型的数据,对数据同步的精度要求比较高。在控制器之间进行通讯时,可以利用TSN的功能按信息传输的优先级加以协调,从而在复杂的现场情况下保障各种通讯的协调一致性。

fido5000交换机芯片解决主流以太网协议共存的关键问题。

图片 54. 从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、TSN等逐步延伸

TSN增强了以太网的功能,也使得其更适合于工业应用。即使在高网络负载条件下,TSN也能在机器和工厂之间实现更加强大和可靠的以太网通讯。这种可靠性使得汽车、机械工程等行业的自动化应用拥有显著优势。

随着各种智能化改造工程的推进,各种传感器节点与PLC之间的传统通信协议让位于各种版本的超高速以太网协议,为工厂操作技术基础设施与企业信息技术基础设施采用基于TSN的以太网高度集成创造了条件。最近几年,几乎所有TSN相关的工作小组都在解决一项课题:确保转移至TSN以及为现有网络提供资源,这将是像各种在原有设施上翻建一样。

AGV:例如在智能仓库中,基于单机智能进行视觉导航的AGV单台成本高,不利于大规模应用。而除视觉导航以外的其他方式均需对AGV工作环境进行改造,灵活性较差,部署和改造困难。另外,Wifi信号容易被干扰,且带宽不足以支撑视觉导航,而激光导航在高密度运行时互相存在干扰。而将5G技术应用于AGV,将彻底解决Wifi方案引起的接入受限、切换失败、小车停驶等难题,提升仓库的整体运营效率和稳定性。

在未来智能工厂中,诸如AGV、移动机器人等各种生产物料将与人力、机器设备和系统协同工作,机器或机器人的位置会随时变动。因此,*提供其在工厂中的位置信息,对于自我引导的高效工作流程来说至关重要。

本文总结:TSN铺平走向未来工业之路

在5G网络上融合TSN服务,关键的问题就是5G网络与TSN的互通。在3GPP R16规划中,3GPP已经开始对5G NR支持工业互联网进行新的研究规划。根据需求规范,对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到0.5 ms的延迟和99.9999%的可靠性。时间敏感网络TSN over 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求,以更好地集成5G和TSN。

当下ICT的乐观情绪和鼓吹,难免会影响了舆论的判断。那种以为“设备+连接+云”就可以完成大一统的想法,未免过于简单。随着5G的发展,工业Wifi6也开始成为随时随地出发的数据军团,无缝补齐5G所留下的空白。已经在商用领域实现WiFi6技术的设备供应商也逐渐意识到了无线技术在工业控制应用中的特殊性。这种工业现场特性的技术差异性,是很难靠ICT厂商实现突破的。对于设备漫游的实时性和可靠性问题,ICT公司通过上层软件、驱动和集中调控的方式很难解决。很多机器人、AGV更无法形成集中资源,这就必须从设备端、现场端来解决。ICT从一开始的立场,就已经表现出不同。这些网络设备,是不会关心控制的,而这恰好是设备制造商和OT企业极为精心呵护的阵地。

除了交换功能之外,fido5000还具有强大的定时器控制单元 。TCU设计用于实现各种工业以太网协议的同步机制。通过四个专用输出或四个通用输入/输出,可以实现输入捕捉等其他功能,也可以输出任何方波信号。这些端口均直接与同步时间同相。例如,它能以64位分辨率对四个输入端中任何一处的边沿到达加盖时间戳。在输出端,任何数字信号模式都可以与网络时间同步输出。这意味着可以将用户的应用与网络时间同步,周期时间甚至低至不到31.25μ­s。“但fido5000的功能还不仅限于此—该芯片已经为未来做好了准备!fido5000支持时间敏感型网络。未来基于TSN的工业以太网应用的需求将能够满足运动控制或安全等应用非常苛刻的实时要求。” Roger强调道。

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