5G为工业智能画下未来理想愿景 基于以太网的实时通信势在必行

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。

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（TSN）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（Roger）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。

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。

从雷声大到雨声大，基于以太网的实时通信势在必行

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”。

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……

于常涛的主题演讲：ADI助力加速迈向工业4.0

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（OT）基础设施与企业信息技术（IT）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。

事实上，业界已经基于TSN成功开发出符合IEEE 802.1的标准以太网扩展版本，成功地摆脱了过去的限制。TSN相较以前的工业以太网方式最大的技术优势是其可扩展性。与当前的工业网络不同，TSN并不针对特定的传输速率进行定义，TSN可用于100 Mbps，也可同样用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。“为了支持这种扩展需求，ADI推出的fido5000以太网平台使系统能从任何一种以太网协议切换到另一种以太网协议，而无需重新设计硬件。”Roger表示。

硬核支持TSN，以太网协议交换方案布局工业未来

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。

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。

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。

fido5000交换机芯片解决主流以太网协议共存的关键问题。

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。

除了交换功能之外，fido5000还具有强大的定时器控制单元 （TCU）。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。

本文总结：TSN铺平走向未来工业之路

作为工业现场实时通讯需求而生的底层协议，TSN提供的优势让IEEE以太网技术再次与时俱进，满足了当下许多工业自动化技术的供应商和制造商都期待独立于制造商的开放式通信平台从而在系统范围内实现越来越多的自动化流程。支持TSN的交换机芯片方案为实现这个愿望提供了一种平滑过渡而有效解决方案。