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CC-Link IE TSN推动工业物联网发展

2019年07月09日 10:47:50 今期抓码王资料

摘要:CC-LinkIETSN是首款应用TSN技术的工业网络,本文介绍了工业总线网络的发展过程,以及CC-LinkIETSN网络的技术特点及应用领域。

引言

随着工业物联网(IIOT)在全球范围内的兴起,在未来的工业体系中,根据客户不同的需求,配方、设计、生产都需要进行快速地响应,真正实现柔性、定制化的生产,同时还需要提高产品质量,提高产能,降低综合成本等等。为了实现这种“变种变量”的生产,届时将会有越来越多信息需要进行收集与处理,譬如运营、订单、物料、生产现场、物流等等,因此IT(InformationTechnology)与OT(OperationalTechnology)之间的联系需要更加的紧密。CC-LinkIETSN作为全球最早推出的基于TSN(TimeSensitiveNetworking)技术的工业网络,顺应了时代的潮流。

工业网络的发展

在整个工业的发展中,从工业2.0的电气自动化开始,工业网络在整个工业体系中就起着不可替代的作用。在工业总线网络普及之初,最早开始占领市场的是基于RS-232的串口通信,但是在使用过程中存在各种各样的问题:首先是共模干扰的问题,其次因为是其规定的最大电容为2500pF,极大限制了它的传输距离和传输速率,在现场使用过程中的可靠通讯距离仅为15m,通讯速率在20Kbps左右,同时点对点的通讯方式也很难满足工业产线的需求。

为了解决距离和速率的问题,基于RS-485的串口通信诞生了,它在RS-232的基础上优化了收发方式并采用二线制实现1对N的通讯,通讯速率也提高到最快10Mbps,距离总长可达1000m以上。虽然通讯由全双工转换成半双工,但是更加符合工业场景对实时性的要求。目前市面上有非常多基于RS-485的工业总线网络,比如CC-Link、Profibus、Modbus、CANopen等总线协议。

到了20世纪末期,工业再次得到极大的提升,Mes系统、ERP系统、SCADA系统等应用对于生产现场传输的数据量及速度的要求有了更进一步的需求,同时互联网的火热也极大地影响了工业网络,各家开始推出了基于标准以太网的工业网络,比如CC-LinkIE、ProfiNet、Modbus/TCP、Ethercat、Ethernet/IP等等。这些网络通过使用标准的网线、连接器以及灵活的拓扑结构,极大方便了现场施工,同时通讯距离与速率再次得到了提升,设备间距离扩展到100m,速率也可达到100Mbps,甚至1Gbps。

近年来随着工业物联网的落地,越来越多基于IT的应用软件需要与现场的OT信息进行交互,对于网络的速度与数据量再次形成了严苛的挑战,同时市场对普通以太网设备的使用、驱动设备的高精度有了更高的要求。基于这些原因,TSN技术正式进入工业网络领域。CC-LinkIETSN作为最早应用TSN技术的工业总线网络,在满足IT与OT融合的情况下,提供更快的网速、更大的数据容量以及更高的网络利用率。

CC-LinkIETSN技术特点

控制信息与生产管理信息的融合

CC-LinkIETSN对现场设备的控制信息提高其高优先度,相对于生产管理信息优先分配带宽,实现了利用实时循环通信控制现场的设备,在确保控制信息实时性的同时还可以直接通过TCP/IP协议从终端设备获取信息,两种协议共存于同一网线内且互不干扰,不仅节省了现场配线成本,同时更是真正实现了IT与OT的融合。

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图1TSN技术及协议层

系统设置及修复的快捷性

SNMP作为通用的简单网络管理协议,也与CC-LinkIETSN相兼容,使用对应SNMP的普通以太网诊断工具不仅可以方便的监视CC-LinkIETSN的兼容产品,也可以对普通以太网的交换机、工业相机、震动检测等设备进行数据收集并分析,同时也为人工智能提供大数据。

通过采用TSN规范中的时钟同步协议(参考IEEE802.1AS和IEEE1588V2),可以对各个兼容产品之间的时间进行校准,保持其高精度的同步。利用CC-LinkIETSN兼容产品的时钟同步功能,可以在运行日志中快速明确故障时间点,帮助大家识别异常原因并快速恢复网络正常,与此同时还可以向上位IT系统提供现场状况以及相对应的准确时间,通过分析耗电量、震动情况等信息对现场设备进行预维护或提前更换,大幅降低维护成本。

生产节拍提高与网络最大利用率

CC-LinkIETSN可以实现最小3-cc-link ie tsn推动物联网2010.png的链接扫描周期,在工业现场能够极大缩短生产节拍,提升整厂的生产能力。不仅如此,CC-LinkIETSN通过使用时间分割(IEEE802.1Qbv)实现在同一个网络中定义多种连接扫描周期,针对不同产品的特性设置相对应的链接扫描周期,比如对伺服系统、安全设备等可以定义高速周期,而对温湿度传感器等可使用中速或低速周期,从而实现最大的网络带宽利用率,提高整厂产能。

开发方式的多样性

CC-LinkIETSN的兼容产品不仅可以通过专用的ASIC或FPGA的硬件方式进行开发,也可以在通用以太网芯片上使用软件协议栈的方式进行开发,通信速度也可根据产品的特点选择对应100Mbps或1Gbps,极大方便了设备厂商根据自身条件选择开发方式。

CC-LinkIETSN应用场景

采用TSN技术的CC-LinkIETSN在充分利用标准以太网设备的同时,通过重新定义协议实现了高速的控制通信,满足在各个行业中的应用。比如在汽车行业中,普通和安全通信可在同一条网线上进行混合通信;在半导体行业,大容量的菜单数据及追溯数据也可高速通信,同时与HSMS混合通信也不会对控制信息的定时性造成影响;在锂电行业中,通过组合通信周期的高速控制(伺服等)和低速控制(变频器、调温器等),可确保装置性能并根据用途选定最佳设备。

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图2CC-LinkIETSN系统结构图

结束语

TSN技术作为工业网络技术的发展方向,未来将有越来越多基于TSN技术的网络诞生,CC-LinkIETSN将会在未来与这些网络实现互联互通,推动工业物联网的发展。(原文刊登于《中国仪器仪表》第六期)

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供稿: 邱晓东

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