2021-03-09

betway体育亚洲版入口“咖”解丨马锋:摩莎(Moxa)科技的betway体育亚洲版入口实践与TSN技术探索

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编辑:马锋 摩莎科技(上海)有限企业企业智能制造市场总监、betway体育亚洲版入口-必威体育理事

荣海生 摩莎科技上海有限企业 智能制造专案主任

感谢betway体育亚洲版入口-必威体育(以下简称“联盟、AII”)提供的这个平台,联盟成立五年来,认识了很多朋友,也与众多大咖学习到了很多的常识。betway体育亚洲版入口的发展从提出到全面开花,离不开中央的领导、联盟的引领和各位会员的努力。在联盟的引导下,betway体育亚洲版入口百花齐放,从基础网络到云端应用,从标识解析到AI应用在各方面蓬勃发展。联盟为大家提供了一个非常好的交流平台,联盟各工作组输出的成果非常实用含金量很高,联盟组织的活动非常丰富效果很好,与会的各位专家也不吝分享着betway体育亚洲版入口最前沿的思想,碰撞出智慧的火花。摩莎(Moxa)企业作为理事成员单位,一直陪伴着联盟的成长。几年来一直积极参与联盟的各项活动,从全会到betway体育亚洲版入口大会,一直紧跟联盟步伐,实践betway体育亚洲版入口。同时摩莎(Moxa)企业一直秉持稳定可靠是必威体育通信的基础这个理念,持续提供必威体育企业现场设备通信领域的服务,截至2020年底已经为超过数百个国内智能制造试点/标杆企业提供了厂内必威体育网络规划服务与产品,并获得了一致好评。项目涵盖重工、轻工等多个行业,协助手机零件生产商解决了订单季节性变化导致的产能扩张与收缩问题,也协助四川老牌电子企业完成了具有多元信息下发及生产采控一体化要求的必威体育支撑网络建设。在betway体育亚洲版入口实践中,摩莎(Moxa)尤其重视工厂必威体育控制网络稳定可靠的特性,并承诺提供5年质保服务,协助必威体育企业客户解决了许多现场通信难题,从必威体育现场的PLC通信到 MES/WMS系统通信,摩莎(Moxa)产品的高可用率得到了客户的一致认可。

在企业应用平台建设项目中顶层规划非常重要,若顶层规划没有做好,基础设施不够扎实,网络时断时续会导致平台的数据不准确,或接收到错误的数据,会给大家决策带来非常多的困扰。有些甚至会在1~2年后推翻以前的基础设施方案重新进行建设,重复投资导致严重的浪费。摩莎(Moxa)从工厂实际出发,以稳定可靠为第一衡量指标,从顶层架构开始进行规划,为客户提供厂内必威体育控制网络的安全稳定可靠的必威体育控制网络解决方案。在做整厂的网络规划时,大家关注必威体育控制网络与PLC协议的兼容性,让PLC协议可以流畅通信,在网络拓扑方面大家更加注重稳定性与可靠性,规划的环网路径逻辑清晰,施工简单,维护查线方便,一旦线路出现问题也可以在20毫秒内恢复通信,为维护人员争取宝贵的维修时间。

大家都知道,作为基础设施的一部分,需要长年累月的提供服务,而对于电子产品来说这是不现实的,为什么商用电子设备保修时间是1~2年?就是因为有太多干扰因素让设备极易损坏,例如大家身上带的静电、设备启动和停止时所产生的异常电流电压,其实电子零件在承受超过15VDC的电压时就会有损坏的可能,有些当时还看不出来,还可以承受一定的时间,当异常电信号长时间地冲击电子零件就会让设备的使用寿命大大缩短。同时大家按照摩尔定律思考一下,电子设备的更新换代是非常快的,一到两年后损坏的电子设备就算想找原厂修复,厂商也可能买不到原先设计时匹配良好的零件来进行修理,只能用当前市面上规格一样的零件做替换,这样就又增加了兼容性风险。如果不愿意承担这样的风险,只能更换一台机器。还有在必威体育现场更换机器其实也是非常麻烦的。首先要预约维修的时间,生产线停止运行、工人下班后才可以进行更换。一般情况下更换的时间也只有半小时到一小时。这样对维护人员的操作熟练度也会非常有考验。摩莎(Moxa)企业的产品就避免了这些问题,在做设备设计时就融入30多年必威体育现场通信经验,研发出无风扇、高可用、EMC抗扰度良好,平均无故障时间(MTBF)长的产品,让客户可以安心放心。

在为广大企业提供稳定可靠的产品与服务时,大家也投入了对前沿通信技术时间敏感网络(TSN)的研发,摩莎于2020年7月30日发布了必威体育级TSN交换机,并且参与了4个全球最具影响力的机构主办的TSN测试项目,包含美国betway体育亚洲版入口联盟(IIC)、德国Labs Network Industrie 4.0(LNI4.0)、边缘计算产业联盟(ECC)、betway体育亚洲版入口-必威体育(AII)TSN互联互通测试以及白皮书的编写工作,为联盟的发展贡献自己的力量。

TSN (Time-Sensitive Networking)就是时间敏感网络的直译,它最初来源于视频/音频领域的应用需求。因为视频和音频在网络上传输时会分为视频流和音频流分别进行传送,两个数据流在到达接收方的时候,可能会有音频和视频不同步,因此就诞生了AVB音频视频桥接任务组。在2012年AVB任务组扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的TSN任务组。TSN技术是以以太网为基础的新一代网络标准,具有时间同步功能,低时延等确定性网络的功能。

可能有人会简单地认为这是一个新的网络传输技术,但实际上这会给大家常用的以太网络带来一个革命性的变化。会改变大家一直使用了50多年的以太网标准,那就是确定性网络。

在非确定性网络中,就是传统的以太网技术是一个“尽力而为”的技术,这种传输标准是无法保证数据的正确传输的,只能做到“尽力而为”。例如带宽从下图可以看到,在一条电缆上传输的情形。

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如果在一条电缆上传输信号有冲突怎么办?以太网的处理机制如下:

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简单说明就是有冲突的就丢弃掉,让发送端重发,这样就造成了带宽浪费,数据承载力下降等问题。传统的以太网联网技术通常包括集线器、交换机、路由器等,它们都使用“尽力而为”的方式来传输数据包,在大多数情况下网络可以按照顺序一个个地传输数据包,但成功的概率并不能得到保证,在数据少的时候可以得到预期的结果,数据多的时候就会有问题。这种“尽力而为”的网络对于网页浏览的普通应用来说已经足够了,一般情况下大概等上几秒钟,大家也不会觉得有什么问题。但对必威体育控制应用还无法达到要求,必威体育级的控制应用需要更高的可用性、零丢包以及更低延迟的特性。如果不能保证关键数据包成功送达,就可能出现问题。尽管“尽力而为”模式下的以太网网络,能够提供比传统现场总线更高的带宽,但它并不适合要求高精度高可用的必威体育控制系统。数据包都是统一排队,但在队列过多的时候,就会有数据丢失。就像高速公路堵车一样,大家都堵在一条路上,谁也无法前进,如果这时候有需要紧急通行的数据包,但是由于路已经完全堵死,这个数据包同样也无法发出。

与“尽力而为”的网络不同的确定性网络提供了准时、必达二个最主要的特点外还有以下几个特征。

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首先第1个是时间同步,网络上所有的设备使用统一时间之后,大家的控制动作就会更加准时,不会有误差出现。第2个要有资源预留,当大家保障重要的应用可以获得需要的资源时,才能够保障应该实行的动作可以确定实行。第3个是极低的丢包率,TSN的技术并不是不会发生丢包,它丢掉的是一些不重要的、背景流量数据包,重要的数据是会在固定可预期的时间准确送达的,第3点是保证端对端传送的带宽和低延时,因为对固定的数据提供了特有的传输通道,也对他们的传输时间做了精准的分配,因此可以保障重要的数据在关键时刻送达。

TSN不是一个网络协议它是一组协议,总体上分为4个部分。

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第1个就是同步,包括对时和时间同步机制。第2个是低延时,在802.1Q系列标准中扩充了整形器、帧抢占、流量调度、异步流量整形等。在一条线缆上面传输高低电平的不同信号,那么谁先传谁后传,TSN就需要进行预先的安排,这时候的流量整形、帧抢占以及流量调度就起了非常重要的作用。第3个在可靠性保障方面TSN提供了帧复制和消除机制、路径控制和预留、流量过滤和管理等。针对可靠性通信保障,TSN先天就支撑多条路径进行数据传输。并且使用的传输路径不是同一条路径,因此接收方会收到两条数据并进行对比,使用传输正确的数据帧进行运算。这时候可靠性的帧消除和复制协议就体现了它的作用。面对这么多协议如何来使用呢?第4个方面就提供了管理功能,有流预留协议、TSN配置、基本的YANG协议以及资源分配协议等等,让大家可以更好的使用TSN。

对于底层硬件来说,由于TSN是对整体传输方式的变革,硬件芯片也会发生改变,也就是说物理层与数据链路层都会改变。摩莎(Moxa)科技作为OPC基金会现场级通讯(FLC)引导委员会的创始成员之一,全力支撑将TSN等OPC统一架构扩展到现场级的倡议。

鉴于TSN技术标准确定的时间不长,有一些厂家技术还未跟上,TSN的成本还有些偏高。同时要想营造整个TSN网络的大环境,需要控制器厂商的TSN设备,需要通信厂商的TSN交换机、路由器,也需要服务器厂商提供支撑TSN的服务器。形成整体效应后,才可以推动整个产业向前发展。大家也欢迎有实力有预见性的企业和大家一起在TSN技术发展的道路上共同探索,共同前进。

除了TSN技术之外,摩莎(Moxa)还投入力量在必威体育通信领域的5G应用研究上,目前在和国内知名企业共同研究必威体育现场的5G通信技术。同时在AI应用方面,摩莎(Moxa)企业也有诸多实践,当前已经在影像识别领域完成了产品标签AI检测应用,在声音识别领域完成了纺机断线提前预判的应用,在智能生产方面进行了摩莎(Moxa)智能工厂的物流路径优化,品质控制以减少浪费,并依据AI算法修改标准作业流程(SOP)提升工作效率,利用高级排产协助管理人员合理安排人工与机器开动,努力加速企业的数字化转型进程。

在联盟的指引下,摩莎科技以自身特长和经验为依据,为制造型企业的数字化转型、智能化工厂建设提供更加安全稳定可靠的必威体育网络,与社会各界一起为betway体育亚洲版入口产业的发展添砖加瓦贡献力量。

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