华为联合伙伴发布覆盖6大场景的TSN+OPC UA测试床,NI TSN技术成关键一环

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近日,工业互联网产业联盟(AII)、Avnu联盟、边缘计算产业联盟(ECC)、Fraunhofer FOKUS、华为、美国国家仪器(NI)、施耐德电气、贝加莱(B&R)等超过20家国际组织和业界知名厂商组成的“工业互联半壁江山”,在全球规模最大的工业展会——2018德国汉诺威工业博览会上,联合发布了包含预测性维护网络、运动控制同步场景、绘图运动控制等工业互联六大场景的TSN(时间敏感网络,Time Sensitive Networking)+OPC UA(OPC统一架构)测试床。众所周知,TSN与OPC UA的结合是预测性维护、数据分析、机器学习和人工智能等新技术的关键推动因素,更是帮助工业企业落地工业互联网“最后一公里”,提高设备综合效率、降低成本的重要支撑。

此次包含工业互联6大场景TSN+OPC UA测试床的联合发布,不仅是向最终实现工业现场信息交互更经济高效迈出关键一步,更将进一步推动行业数字化转型。得益于自身在TSN领域的多年积累,NI联合华为在本次发布的TSN+OPC UA测试床中打造了分布式运动控制同步系统,通过模拟丰富的真实智能制造场景,协同其它5大工业互联场景Demo共同验证了TSN网络的高确定性和低时延,同时也是以包含NI、华为在内的这20+家全球领先的国际组织和厂商协力打通工业互联网“最后一公里”愿景的集中体现。在业内,德国汉诺威工业博览会素有“全球工业技术发展风向标”之称,NI市场策略与技术理事 (Business & Technology Fellow)Rahman Jamal在受邀参加华为于2018德国汉诺威工业博览会同期举办的TSN+OPC UA测试床联合发布仪式时表示,“NI在2016年就加入了由工业互联网产业联盟(IIC)牵头的首个TSN+OPC UA测试床,今天我们的合作伙伴华为展示的这个案例再次强调了TSN对于工业物联网的重要性,NI在TSN领域的持续投资和领导地位也证明了这一点。”Rahman补充说:“NI作为IEEE组织一部分标准制定团队的成员,一直扮演着积极的角色;我们也是Avnu联盟董事会成员;除此之外,NI还是OPC基金会TSN工作组的主席;最后,我们是IIC的积极成员,主导推进了多个测试床项目。除此之外更重要的是,NI已经推出了支持TSN和OPC UA的产品,我们非常自豪能够将TSN+OPC UA技术落地,作为同步、确定性通信领域的首要解决方案。确保我们的客户能够创建可互操作的测试、测量和控制系统。”

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图1. NI市场策略与技术理事Rahman Jamal(左5)受邀参加华为于2018德国汉诺威工业博览会同期举办的TSN+OPC UA测试床联合发布仪式。

联合华为发布运动控制同步系统,NI TSN技术不能少!

如前所述,在这个包含6大工业互联场景的TSN+OPC UA测试床,NI的贡献聚焦在运动控制同步场景的演示方案。基于两台支持TSN功能的NI CompactRIO嵌入式控制器,NI提供了一套分布式运动控制系统的演示方案,结合测试床提供的高可靠性和超低时延TSN环网,展示了多个控制节点间高精度同步与实时通讯的应用场景,也再次验证了TSN网络在复杂环境下保障工业场景严格同步的高确定性和低时延性。

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图2. NI市场策略与技术理事Rahman Jamal(右一)现场讲解NI TSN技术如何应用于整个TSN+OPC UA测试床。

据NI技术市场工程师易曦露介绍,在这套分布式运动控制同步系统的演示方案中,2台NI CompactRIO组合构成Server-Client互联系统,分别连接至步进电机并对其实行运动控制。而基于TSN技术,两个控制节点间可以达到<1us的同步精度。在测试过程中,NI尝试在TSN环网中发送一系列干扰数据(如视频串流数据)时,系统仍能保持控制操作的准确性与同步性。“这意味着,基于TSN网络的流量调度功能,该系统能够有效协调OT与IT数据传输的优先级,保证控制信号传输的确定性和实时性。” 易曦露补充道。

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图3. 联合华为,NI发布基于TSN技术的运动控制同步系统。

破解工业互联的不实时&不统一,NI认为TSN+OPC UA有心得

聚焦当前工业物联网发展现状,从互联角度而言,一方面,现有网络难以满足工业生产高安全、高实时和高可靠的需求;另一方面,由于缺乏统一的标准接口,普遍面临互通性差等困境,因此,以信息通信技术为支撑的网络体系成为工业物联网进阶发展的关键。而作为一组位于数据链路层的协议簇,从底层架构中改变了以太网不确定性的TSN犹如“天降奇兵”:可达1Gbit/s的高带宽;无缝集成现有应用和标准IT网络的互操作性;μs级别的确定性传输时间以及ns级的节点间时间同步的低延迟/高同步性;高安全性等众多优势,都让TSN成为助力IIoT加速实时化演进的方法论。

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图4. NI认为工业互联的不断深化让高带宽、实时性的工业现场信息交互成为关键。

尽管目前TSN仍处于技术定型测试阶段,但近年来TSN确实发展迅速,特别是2017年Avnu联盟,工业互联网联盟(IIC)和OPC基金会宣布在TSN中引入OPC UA,并将与IT-OT行业领导者合作推动工业物联网和工业4.0应用互操作性的消息给业界带来不小震动。

如果说专注产品互通性和稳定性的TSN解决的主要是底层数据获得的问题,提供了网络通信的高确定性和低时延;OPC UA解决的就是应用层语义解析的问题,它则提供了一个独立于平台的面向服务的体系架构,为整个企业的互操作性提供了必要的基础设施,真正实现了不同厂商、不同设备之间的交互。而基于两者建立起的统一通道,不仅将彻底统一数据链路的服务标准,更有可能打破传统工业的结构。因此,业界普遍认为TSN与OPC UA的融合将会为整个工业互联带来全新局面。目前,已有很多走在技术前端的工业自动化主流厂商着手展开对TSN+OPC UA的研究与实践,NI正是其中之一。

看好TSN为“工业互联新风口”,NI TSN产品矩阵不断延展

追溯至2012年11月,IEEE 802.1任务组正式将AVB(以太网音视频桥接技术)更名为TSN,同时也确立了TSN的4大应用场景:专业音视频(Pro AV),汽车控制领域,商用电子领域以及未来最广泛的应用:所有需要实时监控或实时反馈的工业领域。对于一家扎根测试测量领域的企业来说,NI是一家客户及业务范围遍布全球的“全能型”公司,因此NI孵化产品矩阵的着眼点,一方面是坚守自身“以软件为中心”的战略核心和深入多行业测试需求的初衷;另一方面即是专注于当业内出现“新风口”出现,如何基于现有产品形成融入新标准、新技术更灵活的独立组件,去迎合市场和用户需求的激增。

因此,同在2012年,作为国际工业物联网联盟IIC成员,NI成立了TSN任务小组,与思科、英特尔等众多行业领导者共同定义、标准化和推动TSN的应用。随着TSN技术的日益成熟,及其与OPC UA的进一步结合,更是在本身就火热的TSN上加了一把火:业界第一批TSN产品Intel、Broadcom、Marvel TSN芯片的接连推出;以及思科、Hirschmann等公司推出支持TSN的交换机……当然也包含NI在这两年持续推出的多款支持TSN的分布式边缘计算平台:

l 2016年,NI针对工业物联网推出首款IP67级,适用于极端环境的IC-317x系列工业控制器,为​自​动​化​图​像​处​理​和​控​制​应​用​提​供​最​高​级​别​的​处​理​能​力​和​连​接性;

l NIWEEK 2016上,NI发布支持TSN的嵌入式控制器CompactRIO cRIO-9035和cRIO-9039,在提供多个实时处理器与FPGA间基于TSN网络同步的基础上将最高同步精度达到<100ns,特别适用于搭建分布式控制系统及协调OT+IT流量调度;

l NIWEEK 2017上,NI再次推出全新基于TSN的CompactDAQ机箱——cDAQ-9185​和​cDAQ-9189。作为专注于分布式测量及同步领域的以太网机箱,该款CompactDAQ最高同步精度<100ns,多跳精度<1μs;

l 2017年底,NI宣布推出坚固耐用的分布式同步FieldDAQ设备,并将TSN 引入最严苛的测试单元和室外环境。由于FieldDAQ集成了TSN,因而可支持大部分工业I/O和控制厂商(比如博世、贝加莱和施耐德电气)的第三方TSN解决方案;

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图5. NI持续延展TSN产品矩阵,在全球TSN生态联盟中实力表姿态。

当然,全新FieldDAQ是除工业控制器、CompactDAQ和CompactRIO之外的又一产品系列,它的推出更将预示NI TSN产品的进一步扩充。在未来,NI还会继续大力推进TSN技术落地,并将其应用在更多的工业互联场景中。

以生态包围产品,NI携行业标杆企业共同“搅动”TSN风口

对内,专注积累自身技术优势;对外,积极开拓产业合作边界,作为测试测量行业的领先企业,NI不仅是工业互联网联盟(IIC)的会员,Avnu联盟的董事会成员(Board of Directors),还是中国边缘计算产业联盟(ECC)的常务理事成员,在全球工业互联生态中占据重要一席。在TSN领域,NI同样积极打造自身“TSN生态”。

早在NIWEEK 2016,NI就联合Cisco、Intel推出了全球首个TSN体验技术平台;2017年初,NI正式开启工业物联网实验室(Industrial IoT Lab),其中运营重点之一就是TSN柔性制造,希望联盟思科、Avnu联盟、英特尔以及赛灵思等业内巨头,通过TSN现场测试平台的演示,展示来自12家公司在TSN网络上的合作。2017年底,NI更是在其全球首个TSN体验技术平台中加入了年度新品——基于TSN的CompactDAQ机箱。通过和传统基于UDP进行信息传输的比较,再次验证了TSN能够保持时间敏感数据的优先传输,从而实现实时性和确定性,确保IT和OT的无缝融合。

其实,早在去年年底的2017边缘计算产业峰会上,作为边缘计算产业联盟(ECC)理事会常务理事成员的NI就已宣布将与联盟中的一部分核心企业展开合作,致力于将国外领先的技术优势,例如TSN技术,与国内垂直行业应用场景的特殊性相结合,加速边缘计算在各行业的落地,而华为正是ECC的创始成员之一。相信不久的将来,也将看到更多由NI助力的应用落地中国工业场景。

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