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促进各种工业数据的充分流动和无缝集成必威,

时间:2019-10-02 01:37来源:必威-通讯产品
云化机器人: 例如物流仓储领域,采用无线网络将摆脱线缆束缚,机器人可以装上轮子随心所欲地自由移动,工厂可以实现迅速且低成本地在不同种类的产品生产线之间转换生产。云化

云化机器人:例如物流仓储领域,采用无线网络将摆脱线缆束缚,机器人可以装上轮子随心所欲地自由移动,工厂可以实现迅速且低成本地在不同种类的产品生产线之间转换生产。云化机器人通过5G连接到云端控制中心,通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制,由自组织和协同机器人来满足柔性生产的需求。

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。

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。

TSN将携手Profinet和OPC UA共同出道

1、工业的IT网络

另外,现有的OT和IT系统分层架构,数据难以跨层交互,存在明显弊端。未来5G网络技术,尤其是网络切片、边缘计算、TSN等的使用,将加速工业企业OT和IT系统深度融合,从传统的分级架构过渡到基于微服务的新型网状交互架构。

工业正在迎来美好的通讯时代,而工业4.0背后需要的通讯体系,也开始浮出水面。

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”。

不仅如此,“西门子工业网络专家计划”还致力于为业内专家提供完整的工业通讯网络培训和认证体系,使他们具备为各领域企业量身打造工业通讯网络的强大能力。姚峻强调:“西门子从2017年就开始做培训,我们希望把用户或是合作伙伴培养成工业网络的专家。”西门子面向不同级别的业内人员提供三种培训课程:西门子工业网络基础课程(Siemens ITIN)面向初学者,旨在帮助学员快速掌握基本网络技术知识。西门子工业网络认证专业课程 (Siemens CPIN)的目标在于帮助学员掌握与实践工业网络中的三大特定主题:工业网络交换和路由技术、工业网络无线技术和工业网络安全技术。西门子工业网络认证专家课程(Siemens CEIN)旨在帮助学员拓宽知识面,全面掌握工业网络领域的各种专业知识。自该培训2018年引入中国以来,已经有近百人获得了相关的资质认证。

2、工厂内网络连接的问题

典型的工业应用场景契合了5G三大场景(eMBB、mMTC、uRLLC),5G其他性能如移动性、QoS、安全性等也促进了5G在工业应用场景中的应用。

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。

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随着大数据分析和边缘计算业务的对现场级实时数据的采集需求,OT 网络中的车间级和现场级将逐步融合,同 时 MES 等信息系统向车间和现场延伸的需求,推动了 IT 网络与OT 网络的融合趋势。

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。

在以引领行业未来著称的2019年德国汉诺威工业博览会上,5G*次以专门展区形式出现,多家企业进行了集中展示与宣讲。5G和上一代蜂窝网络的主要区别之一是,5G可以直接应用于机器之间通讯和物联网。包含5G和工业wifi6在内的无线通讯,将大幅度提高智能工厂的灵活性、通用性和生产率。

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。

5G作为下一代移动通信技术标准,不仅会极大地改变人们现有的生活和工作方式,提升通信效率,还可以加大很多前沿技术和产品落地的可能性。“毋庸置疑,5G牵动着许多企业的神经。5G能够带来更高的数据速率,更可靠、强大的宽带传输以及超低的延迟,将为前沿技术在工业环境的应用扫清道路。但是,实现5G在工业场景的应用还有一段路要走,而这条路上我们将看到的是另一番风景。”姚峻在论坛上表示,“面对工业环境下中更为严苛和全面的要求,我们需要的是符合工业场景要求的工业5G,这将是西门子未来的主要发力点。”

问题二:传统工业网络依附于控制系统

柔性机械臂:通过5G实现对工厂内自动化装备的实时控制,替代有线网络, 节省线缆及布线工作量,大大节省生产线调整时间,支持工厂越来越柔性化。控制系统部分功能上移至边缘计算设备进行控制,降低单体本身及后续维护升级成本。

工业4.0一开始定义了自身的顶层架构RAMI,它从三个维度对工业4.0进行了框架描述,代表了德国对工业4.0所进行的全局式思考。有了这个模型,各个企业尤其是中小企业,就可以在整个体系中寻找到自己的位置。这是一股从未有过的洪流交融,万物、人机、软硬、虚实都要连接,需要一种全新的通讯观,才能实现这种集成。从国外的工业巨头如西门子的实践来看,基本是按照这样的通讯框架进行全域构建。

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。

在IT和OT融合的过程中,通常会面临两个问题:在IT一侧需要连接企业网和控制网时,通讯标准可能不统一,需要解决通讯标准在连接性上的互通的问题;在OT一侧,当平台接入更多的终端时,通讯会受到激增流量的挤压而受到干扰,需要保证控制器间通讯的实时性。要解决这些问题,TSN是一个很好的选择。在去年的汉诺威工业博览会上,西门子就将TSN列为未来重要的通讯技术之一。TSN最大的优势是在高网络负载条件下也能实现可靠的通信,预留带宽和可预测的等待时间确保每个应用都获得所需的通信渠道。同时,TSN能承载各种通讯标准的通讯协议,与现有的工业通讯协议之间没有任何冲突,与之对应的是工业以太网。

工业现场总线被大量用于连接现场检测传感器、行器与工业控制器。近年来,虽然已有部分支持工业以太网通信接口的现场设备,但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制器的方式连接。在现场级,无线通信只是部分特殊场合被使用,存量很低。这种现状造成工业系统在设计、集成和运维的各个阶段的效率,都受到极大制约,进而阻碍着精细化控制和高等级工艺流程管理的实现。

在工业互联网应用中,将从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。

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。

5G还是“工业5G”?

工业互联网将IT和OT融合

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。

智能工厂往往过分强调智能设备和软件,但工厂对象的智能化,例如传感器、物料等,同样无比重要。任何数据的发出源,都能借助全新的通讯体系,通过光学、机械和声学等手段,将工厂对象,转换成智能对象。一辆辆汽车的平淡无奇,由于GPS导航而重新定义车与路的关系。路盲的标签,彻底地从每个人身上撕掉。而RFID这些早已在工厂默默多年的标签,突然变得“视野开阔”,从“标签对象”成为“智能对象”,这正是拜实时定位系统所赐。实时定位系统激发了现场所有可能信息的释放,让一个数字化企业变得更加触手可及。

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。

工业通讯网络远比传统的办公网络复杂得多。专家估计,到2020年将有150亿台连接智能机器。与此同时,数据量将大幅增加。因此,未来工业通讯网络的成功规划、设计和实施需要经验丰富且深入了解自动化和整个工业的合作伙伴。西门子正是基于这一趋势打造了“西门子工业网络专家计划”。这一计划包括了专家级的工业通讯与识别产品、专家级的工业网络行业经验与知识、一站式工业网络专家服务、工业网络专家合作伙伴开发计划和培训与认证体系五大模块。通过构建这一计划,西门子能够将自身多年的修为源源不断地输出到整个计划之中,为其提供强有力的技术、产品和经验支撑。西门子在工业通讯领域已经有数十年的经验,早在1985年就开始提供工业以太网解决方案。西门子工业通讯产品和解决方案已经贯穿工厂自动化局域网通讯、无线远程通讯,并可跨越广域网和Internet,打造直至云端的完整数据通道。同时,西门子在中国已经为数百家中国企业提供了数字化企业解决方案,覆盖了汽车、电子、纺织、航空航天、石油石化、制药和食品饮料等数十个行业,拥有大量的行业专业知识和经验。因此,西门子的网络专家能够为用户提供“咨询+方案+部署”的服务模式,帮助用户在搭建网络之初量身打造网络配置,防止用户在使用过程中遇到各种问题。

工厂级网络连接

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。

作为一种打造设备的工厂级世界语,OPC UA出现了。

硬核支持TSN,以太网协议交换方案布局工业未来

同时,为了把数字化的朋友圈越做越大,西门子通过“工业网络专家计划”打造自己的“军师联盟”,一方面寻找工艺和OT领域的专家和合作伙伴,以拓展覆盖更多的行业的工业通讯解决方案,另一方面通过相关培训帮助他们变成工业网络专家,帮助更多行业的工业客户实现数字化。姚峻在论坛期间谈到,“工业通讯解决方案首先需要了解行业的人来做,才能把OT和IT在实际场景中连接起来,这需要对两个领域都有着深刻的见解,并清楚掌握相关的运营和安全需求。”众所周知,IT与OT的融合是数字化转型的关键所在,但两者的连接并不是想象中那样“一拍即合”。在IT世界里,网络安全和数据可靠性是重中之重,而在OT世界里,设备可用性和工艺流程的稳定性则更为重要,简单的“连接”并不能帮助企业实现数字化的目标。不同的工业应用环境,工厂本身的结构、设备状态、工业细节并不相同,因此,并没有针对工业领域的通用解决方案,而需要根据不同行业、不同客户自身需求量身定制工业通讯解决方案。

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必威 4TSN(Time Sensitive Networking):时间敏感网络作为一组位于数据链路层的协议簇,从底层网络架构中改变了普通以太网数据传输的不确定性,将它转变为确定性网络,同时为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。将能够快速打通工业通信协议和现场总线,成为OT和IT融合的基础。

工业4.0的新通讯

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……

在TSN的帮助下,OPC UA将具备实时性,可以在控制器和控制器之间、控制器以上乃至到云端发挥重要作用。而在控制器内部,基于TSN的Profinet将实现现场级的循环和实时I/O数据交换。目前,Profinet在全球安装的节点设备已达到1800万,是市场占有率最高的基于工业以太网技术的工业自动化总线标准。

工业互联网解决IT和OT融合,具备以下功能:

基于eMBB和移动性场景包括基于视觉的照相检测、AGV、云化机器人等。基于mMTC场景包括海量连接和室内定位等。基于uRLLC场景包括工业机械远程控制、柔性机械臂等。

随着6月6日5G商用牌照的发放,中国5G的发展毫无意外地开始加速。中国移动2019年预计将投入192亿人民币,三大运营商预计今年建设8至9万个基站(对比一下,美国目前只有几千个)。相关数据表明,2026年ICT运营商5G的数字化收入预计将超过12000亿美元,其中约2340亿美元来自相应的垂直制造领域

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。

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车间级网络连接

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