工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨馬鋒：摩莎（Moxa）科技的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與TSN技術(shù)探索
作者：馬鋒 摩莎科技（上海）有限公司公司智能制造市場總監(jiān)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事
榮海生 摩莎科技上海有限公司 智能制造專案主任
感謝工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（以下簡稱“聯(lián)盟、AII”）提供的這個平臺，聯(lián)盟成立五年來，認(rèn)識了很多朋友，也與眾多大咖學(xué)習(xí)到了很多的知識。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從提出到全面開花，離不開中央的領(lǐng)導(dǎo)、聯(lián)盟的引領(lǐng)和各位會員的努力。在聯(lián)盟的引導(dǎo)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)百花齊放，從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)到云端應(yīng)用，從標(biāo)識解析到AI應(yīng)用在各方面蓬勃發(fā)展。聯(lián)盟為大家提供了一個非常好的交流平臺，聯(lián)盟各工作組輸出的成果非常實(shí)用含金量很高，聯(lián)盟組織的活動非常豐富效果很好，與會的各位專家也不吝分享著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最前沿的思想，碰撞出智慧的火花。摩莎（Moxa）公司作為理事成員單位，一直陪伴著聯(lián)盟的成長。幾年來一直積極參與聯(lián)盟的各項(xiàng)活動，從全會到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會，一直緊跟聯(lián)盟步伐，實(shí)踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。同時摩莎（Moxa）公司一直秉持穩(wěn)定可靠是工業(yè)通信的基礎(chǔ)這個理念，持續(xù)提供工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備通信領(lǐng)域的服務(wù)，截至2020年底已經(jīng)為超過數(shù)百個國內(nèi)智能制造試點(diǎn)/標(biāo)桿企業(yè)提供了廠內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃服務(wù)與產(chǎn)品，并獲得了一致好評。項(xiàng)目涵蓋重工、輕工等多個行業(yè)，協(xié)助手機(jī)零件生產(chǎn)商解決了訂單季節(jié)性變化導(dǎo)致的產(chǎn)能擴(kuò)張與收縮問題，也協(xié)助四川老牌電子企業(yè)完成了具有多元信息下發(fā)及生產(chǎn)采控一體化要求的工業(yè)支撐網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中，摩莎（Moxa）尤其重視工廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠的特性，并承諾提供5年質(zhì)保服務(wù)，協(xié)助工業(yè)企業(yè)客戶解決了許多現(xiàn)場通信難題，從工業(yè)現(xiàn)場的PLC通信到 MES/WMS系統(tǒng)通信,摩莎（Moxa）產(chǎn)品的高可用率得到了客戶的一致認(rèn)可。
在企業(yè)應(yīng)用平臺建設(shè)項(xiàng)目中頂層規(guī)劃非常重要，若頂層規(guī)劃沒有做好，基礎(chǔ)設(shè)施不夠扎實(shí)，網(wǎng)絡(luò)時斷時續(xù)會導(dǎo)致平臺的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或接收到錯誤的數(shù)據(jù)，會給我們決策帶來非常多的困擾。有些甚至?xí)?~2年后推翻以前的基礎(chǔ)設(shè)施方案重新進(jìn)行建設(shè)，重復(fù)投資導(dǎo)致嚴(yán)重的浪費(fèi)。摩莎（Moxa）從工廠實(shí)際出發(fā)，以穩(wěn)定可靠為第一衡量指標(biāo)，從頂層架構(gòu)開始進(jìn)行規(guī)劃，為客戶提供廠內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。在做整廠的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，我們關(guān)注工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與PLC協(xié)議的兼容性，讓PLC協(xié)議可以流暢通信，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫嫖覀兏幼⒅胤€(wěn)定性與可靠性，規(guī)劃的環(huán)網(wǎng)路徑邏輯清晰，施工簡單，維護(hù)查線方便，一旦線路出現(xiàn)問題也可以在20毫秒內(nèi)恢復(fù)通信，為維護(hù)人員爭取寶貴的維修時間。
我們都知道，作為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，需要長年累月的提供服務(wù)，而對于電子產(chǎn)品來說這是不現(xiàn)實(shí)的，為什么商用電子設(shè)備保修時間是1~2年？就是因?yàn)橛刑喔蓴_因素讓設(shè)備極易損壞，例如我們身上帶的靜電、設(shè)備啟動和停止時所產(chǎn)生的異常電流電壓，其實(shí)電子零件在承受超過15VDC的電壓時就會有損壞的可能，有些當(dāng)時還看不出來，還可以承受一定的時間，當(dāng)異常電信號長時間地沖擊電子零件就會讓設(shè)備的使用壽命大大縮短。同時我們按照摩爾定律思考一下，電子設(shè)備的更新?lián)Q代是非?？斓?，一到兩年后損壞的電子設(shè)備就算想找原廠修復(fù)，廠商也可能買不到原先設(shè)計時匹配良好的零件來進(jìn)行修理，只能用當(dāng)前市面上規(guī)格一樣的零件做替換，這樣就又增加了兼容性風(fēng)險。如果不愿意承擔(dān)這樣的風(fēng)險，只能更換一臺機(jī)器。還有在工業(yè)現(xiàn)場更換機(jī)器其實(shí)也是非常麻煩的。首先要預(yù)約維修的時間，生產(chǎn)線停止運(yùn)行、工人下班后才可以進(jìn)行更換。一般情況下更換的時間也只有半小時到一小時。這樣對維護(hù)人員的操作熟練度也會非常有考驗(yàn)。摩莎（Moxa）公司的產(chǎn)品就避免了這些問題,在做設(shè)備設(shè)計時就融入30多年工業(yè)現(xiàn)場通信經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出無風(fēng)扇、高可用、EMC抗擾度良好，平均無故障時間（MTBF）長的產(chǎn)品，讓客戶可以安心放心。
在為廣大企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品與服務(wù)時，我們也投入了對前沿通信技術(shù)時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的研發(fā)，摩莎于2020年7月30日發(fā)布了工業(yè)級TSN交換機(jī)，并且參與了4個全球最具影響力的機(jī)構(gòu)主辦的TSN測試項(xiàng)目，包含美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)、德國Labs Network Industrie 4.0(LNI4.0)、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）TSN互聯(lián)互通測試以及白皮書的編寫工作，為聯(lián)盟的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
TSN (Time-Sensitive Networking)就是時間敏感網(wǎng)絡(luò)的直譯，它最初來源于視頻/音頻領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因?yàn)橐曨l和音頻在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時會分為視頻流和音頻流分別進(jìn)行傳送，兩個數(shù)據(jù)流在到達(dá)接收方的時候，可能會有音頻和視頻不同步，因此就誕生了AVB音頻視頻橋接任務(wù)組。在2012年AVB任務(wù)組擴(kuò)大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。TSN技術(shù)是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有時間同步功能，低時延等確定性網(wǎng)絡(luò)的功能。
可能有人會簡單地認(rèn)為這是一個新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，但實(shí)際上這會給我們常用的以太網(wǎng)絡(luò)帶來一個革命性的變化。會改變我們一直使用了50多年的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，那就是確定性網(wǎng)絡(luò)。
在非確定性網(wǎng)絡(luò)中，就是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)是一個“盡力而為”的技術(shù)，這種傳輸標(biāo)準(zhǔn)是無法保證數(shù)據(jù)的正確傳輸?shù)模荒茏龅健氨M力而為”。例如帶寬從下圖可以看到，在一條電纜上傳輸?shù)那樾巍?/p>
如果在一條電纜上傳輸信號有沖突怎么辦？以太網(wǎng)的處理機(jī)制如下：
簡單解釋就是有沖突的就丟棄掉，讓發(fā)送端重發(fā)，這樣就造成了帶寬浪費(fèi)，數(shù)據(jù)承載力下降等問題。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常包括集線器、交換機(jī)、路由器等，它們都使用“盡力而為”的方式來傳輸數(shù)據(jù)包，在大多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)可以按照順序一個個地傳輸數(shù)據(jù)包，但成功的概率并不能得到保證，在數(shù)據(jù)少的時候可以得到預(yù)期的結(jié)果，數(shù)據(jù)多的時候就會有問題。這種“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)對于網(wǎng)頁瀏覽的普通應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了，一般情況下大概等上幾秒鐘，我們也不會覺得有什么問題。但對工業(yè)控制應(yīng)用還無法達(dá)到要求，工業(yè)級的控制應(yīng)用需要更高的可用性、零丟包以及更低延遲的特性。如果不能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)包成功送達(dá)，就可能出現(xiàn)問題。盡管“盡力而為”模式下的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，能夠提供比傳統(tǒng)現(xiàn)場總線更高的帶寬，但它并不適合要求高精度高可用的工業(yè)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包都是統(tǒng)一排隊(duì)，但在隊(duì)列過多的時候，就會有數(shù)據(jù)丟失。就像高速公路堵車一樣，大家都堵在一條路上，誰也無法前進(jìn)，如果這時候有需要緊急通行的數(shù)據(jù)包，但是由于路已經(jīng)完全堵死，這個數(shù)據(jù)包同樣也無法發(fā)出。
與“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)不同的確定性網(wǎng)絡(luò)提供了準(zhǔn)時、必達(dá)二個最主要的特點(diǎn)外還有以下幾個特征。
首先第1個是時間同步，網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備使用統(tǒng)一時間之后，大家的控制動作就會更加準(zhǔn)時，不會有誤差出現(xiàn)。第2個要有資源預(yù)留，當(dāng)我們保障重要的應(yīng)用可以獲得需要的資源時，才能夠保障應(yīng)該執(zhí)行的動作可以確定執(zhí)行。第3個是極低的丟包率，TSN的技術(shù)并不是不會發(fā)生丟包，它丟掉的是一些不重要的、背景流量數(shù)據(jù)包，重要的數(shù)據(jù)是會在固定可預(yù)期的時間準(zhǔn)確送達(dá)的，第3點(diǎn)是保證端對端傳送的帶寬和低延時，因?yàn)閷潭ǖ臄?shù)據(jù)提供了特有的傳輸通道，也對他們的傳輸時間做了精準(zhǔn)的分配，因此可以保障重要的數(shù)據(jù)在關(guān)鍵時刻送達(dá)。
TSN不是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議它是一組協(xié)議，總體上分為4個部分。
第1個就是同步，包括對時和時間同步機(jī)制。第2個是低延時，在802.1Q系列標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)充了整形器、幀搶占、流量調(diào)度、異步流量整形等。在一條線纜上面?zhèn)鬏敻叩碗娖降牟煌盘?，那么誰先傳誰后傳，TSN就需要進(jìn)行預(yù)先的安排，這時候的流量整形、幀搶占以及流量調(diào)度就起了非常重要的作用。第3個在可靠性保障方面TSN提供了幀復(fù)制和消除機(jī)制、路徑控制和預(yù)留、流量過濾和管理等。針對可靠性通信保障，TSN先天就支持多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并且使用的傳輸路徑不是同一條路徑，因此接收方會收到兩條數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比，使用傳輸正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行運(yùn)算。這時候可靠性的幀消除和復(fù)制協(xié)議就體現(xiàn)了它的作用。面對這么多協(xié)議如何來使用呢？第4個方面就提供了管理功能，有流預(yù)留協(xié)議、TSN配置、基本的YANG協(xié)議以及資源分配協(xié)議等等，讓我們可以更好的使用TSN。
對于底層硬件來說，由于TSN是對整體傳輸方式的變革，硬件芯片也會發(fā)生改變，也就是說物理層與數(shù)據(jù)鏈路層都會改變。摩莎（Moxa）科技作為OPC基金會現(xiàn)場級通訊（FLC）指導(dǎo)委員會的創(chuàng)始成員之一，全力支持將TSN等OPC統(tǒng)一架構(gòu)擴(kuò)展到現(xiàn)場級的倡議。
鑒于TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定的時間不長，有一些廠家技術(shù)還未跟上，TSN的成本還有些偏高。同時要想營造整個TSN網(wǎng)絡(luò)的大環(huán)境，需要控制器廠商的TSN設(shè)備，需要通信廠商的TSN交換機(jī)、路由器，也需要服務(wù)器廠商提供支持TSN的服務(wù)器。形成整體效應(yīng)后，才可以推動整個產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。我們也歡迎有實(shí)力有預(yù)見性的企業(yè)和我們一起在TSN技術(shù)發(fā)展的道路上共同探索，共同前進(jìn)。
除了TSN技術(shù)之外，摩莎（Moxa）還投入力量在工業(yè)通信領(lǐng)域的5G應(yīng)用研究上，目前在和國內(nèi)知名企業(yè)共同研究工業(yè)現(xiàn)場的5G通信技術(shù)。同時在AI應(yīng)用方面，摩莎（Moxa）公司也有諸多實(shí)踐，當(dāng)前已經(jīng)在影像識別領(lǐng)域完成了產(chǎn)品標(biāo)簽AI檢測應(yīng)用，在聲音識別領(lǐng)域完成了紡機(jī)斷線提前預(yù)判的應(yīng)用，在智能生產(chǎn)方面進(jìn)行了摩莎（Moxa）智能工廠的物流路徑優(yōu)化，品質(zhì)控制以減少浪費(fèi)，并依據(jù)AI算法修改標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程（SOP）提升工作效率，利用高級排產(chǎn)協(xié)助管理人員合理安排人工與機(jī)器開動，努力加速企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。
在聯(lián)盟的指引下，摩莎科技以自身特長和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，為制造型企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化工廠建設(shè)提供更加安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，與社會各界一起為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦貢獻(xiàn)力量。
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