工业通信网络发展与TSN工业应用2023

人边缘计算 边云智联助力行业数字化转型 BCONSORTIUN2022边缘计算产业峰会 ITEI 工业通信网络发展与TSN工业应用 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所刘丹 2022年12月28日 边缘计算产业联盟ECC 边缘计算 ECONSORTIUN 边云智联助力行业数字化转型 2022边缘计算产业峰会 ITEI 刘丹博士 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 副总工/教授级高工 边缘计算产业联盟ECC 主要内容 2022 业峰会 工业通信网络 TSN工业自动化应用 、边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会ITEI 工业网络发展脉络 2005 AV 2018 产 20175G 2012TSNIATSN 业峰会 21世纪初B 工业无线网 90年代末 80年代 工业以太网2020 2010 现场总线2000 工业物联网 1990 20052012 1980 物联网 AVB：AudioVideoBridging,音视频桥接 TSN：TimeSensitiveNetwork，时间敏感网 工业互联网TSNIA:TSNforIndustrialAutomation, TSN工业自动化（行规） 、边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会ITEI 工业对网络技术的严格要求 1、性能指标（确定性、实时性、可用性、可靠性） 确定性&实时性（real-time）表示工业网络中数据传输时间是确定的、可预测的 -确定性（deterministic）：通信系统的端到端传输延迟具有最大限值一一jitter -实时性（real-time）：系统在限定的时间内对外界事件做出处理与响应的特性一一cycletime 可用性（availability）在给定条件下，事物在预定时间或时间间隔内处于某个状态并执行所要求功能的能力 尽量缩宿短或避免系统停机时间 2 可靠性（reliability）：传输报文/消息在可接受延时内完整无损地到达最终自的地的概率（能力） 物理层要求 抗干扰能力：工业现场环境一般比较恶劣，比如高温、高湿、多尘、电磁干扰大等，这些都可能导致设备运行和通 信质量不稳定从而影响生产制造 3、安全性（safety&security） 功能安全（FunctionalSafety）功能安全通信是指在工业通信协议栈上附加安全层，采取相应防护措施以避免通信过程 中产生如化误、意外重复、错序、丢失、不可接受延迟、插入、伪装、寻址等通信错误 信息安全（Security）工业信息安全是指保护避免不可接受的有意的（计算机）攻击或无意的工业自动化控制系统改变 人边缘计算 边云智联助力行业数字化转型·边缘计算产业联盟ECO CONSORTIUM2022边缘计算产业峰会TEI 工业通信性能指标 性能指标（Performanceindicators）规定RTE终端设备和通信网络的能力以及规定应用需求 口交付时间（Deliverytime）：信息从源结点到目的结点的传输时间 端结点数：一个控制网络支持的最大结点数IEC61784-2中规定的指标虽然是针对工 基本网络拓扑：星型、环型、线型业以太网的，但其他工业网络技术可参考 口RT吞吐量：每秒链路上通过RT数据的总字节数 口非RT带宽：链路上用于非RT通信的带宽百分比官一不用的应用场景，对于通信性能的要求是时间同步精度：任意两个节点时钟之间的最大偏差（同步应用）不一样的 口非时基同步精度：任意两个节点间周期性行为的最大抖动（非同步应用） 口，余恢复时间：从一次故障到完全正常工作的最大恢复时间 、边缘计算 工厂自动化运动控制 L10msS 实时硬实时 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟ECC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会TEI 工业应用实时等级与应用领域 过程自动化、仓储系统等时同步通信（运动控制） 楼宇控制等总线周期<1ms 时钟同步及确定性 物料输送，简单控制抖动<lus 多数工厂自动化等 实时通信（离散控制） 机床，高速过程，机器人等总线周期可达10ms、100ms 量级 与TCP/IP兼容，不受限制 高性能同步处理满足90%FA应用 电子传动等 1μs10μs100us1ms10ms100ms1s10s 循环周期 边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟ECC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会ITEI 工业通信网络（传统） 工业通信网络=工业控制网络=工业测控网 包含了“测”（数据采集）与“控”（控制系统）的所 算产业峰会 企业层 (ERP) 有关联网络，实现现场设备（如传感器、执行设备等）车间层 与控制设备（如PLC、DCS控制器等）之间的互联互通 (MES) 形成各种智能生产装备、生产单元、生产线乃至整个车控制层 间工厂系统 工业通信网络是主要解决工业现场“信息孤岛”实现 智能制造数字化、网络化、智能化的基础网络设施 (PLC、DeS) 设备层 （传感器、 发展呈现设备层和控制层专用网络向管理层通用网络延仪器仪表， 制造装备） 伸，有线到无线，以及新使能技术（如TSN、5G）不断 融合应用的新趋势 现场总线、工业以太网、工业无线网... 、边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟E CONSORPIUN2022边缘计算产业峰会TEI 工业通信网络 口工业通信网络 私有协议 (传统） 计算产业峰会 企业层 (ERP) ，机床、机器人 实时以太网（开放的，基于IEEE802.3）车间层 (MES) EtherCAT、POWERLINK、MODBUS/TCP PROFINET、Ethernet/IP、SERCOSII控制层 》现场总线（开放的，标准的） (PLC、DeS) .PROFIBUS、CC-LINK、MODBUS、HART设备层 DeviceNetCAN（传感器、 》工业无线网（开放的，标准的）仪器仪表， 制造装备） 用于PA领域（基于IEEE802.15.4） WIA-PA、ISA100.11a、WirelessHART ■用于FA领域（基于IEEE802.11）：WIA-FA 边缘计算边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会TE IEC61158工业通信网络规范 口IEC61158工业通信网络现场总线规范 类型1:FF·类型15:Modbus-RTPS 类型2:CIP·类型16:SERCOSI、I ：类型3：PROFIBUS·类型17:VNET/IP 类型4:P-NET·类型18:CC-Link 类型5:FFHSE·类型19:SERCOSIII 类型6：SwiftNet（撤销）·类型20：HART 类型7：WorldFIP类型21:RAPIENET 现场总线 类型8：INTERBUS 022边 类型22：SAFETYNETP工业以太网 类型9:FFH1类型23：CC-LINKIE 类型10:PROFINETIO类型24MACHATROLINK 类型11：TCNET·类型25：ADS-net 类型12：EtherCAT ·类型26：FL-net 边缘计算 类型13:EthernetPowerLink·类型27：MACHATROLINK 类型14:EPA·类型28：AUTBUS 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会TE 工业通信标准化 网络相关标准 通信：现场总线、工业以 太网、工业无线网、TSN 网络与系统安全 IEC62443 工业控制系统 通信网络安装 IEC61918 安全：功能安全通信、工 通信行规功能安全 网络信息安全安装规范高可用性无线共存 业信息安全 性能：高可用性网络、精 IEC61784-1 IEC61784-2 现场总线行规 IEC61784-3-x IEC61784-4IEC61784-5-x IEC62439 IEC62657 确时钟同步 安装指南：连接、布线、 工业通信网络通信协议IEC61158 现场总线和工业以太网 工业无线通信网络 IEC62591(WirelesHART) TSNIEC62601(WIA-PA) 屏蔽、接地…IEC60802 IEC62734(ISA100.11a) IEC62948(WIA-FA) 功能安全过程工业功能安全精确时钟同步 不仅仅是网络和通信IEC61508IEC61511IEC61588 边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会ITEI 工业通信标准化 集成相关标准 OPC-UAIEC62541 设备集成：EDD、FDT、FD!信息模型Web服务 >系统集成：OPCUA、信息MES企业控制系统集成 模型IEC62264-XEDDLFDTFDI. IEC61804-3IEC62453IEC62769 语义交互：设备行规、数据电子设备描述语言现场设备现场设备标识&诊断 (EDDL)工具（FDT)集成（FDI) 字典 DPWS Web服务设 备行规 数据字典 产品特性与分类ISO15745-x IEC61915IEC61800-7IEC61850SOAP 驱动系统 IEC61987-x工业自动化系统低压开关与控电力设备自动化第单对象访 应用集成框架制器通信网络和系统问协议 XML 可扩展标记 不仅仅是网络和通信 设备集成 设备行规导则ISO/IEC62390设备建模语言 工业通信网络通信协议 IEC61158 边缘计算边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORTIUM2022边缘计算产业峰会ITEI 主要内容 2022 匕峰会 工业通信网络 TSN工业自动化应用 、边缘计算 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC 2022边缘计算产业峰会ITEI TSN发展及标准化 口时间敏感网络TSN在以太网（IEEE802.1和802.3）上增加各种功能和性能，提供确定性服务 IEEE组建AVB任务组 IEEETSN各领域进展 IEEE新TSN任务成立车载领域P8O2.1DG Drafto.1 InterworkingTG与TSNTG合并 关注音视频领域为新TSN任务组，开展TSN在运·运营商骨干网领域P802.1Qcj以太网应用进入实时领域营商骨干网和前传网络领域研究Draftl.o ·前传网络领域 02.1CMde Draftl.o 20052012201520172019 边缘计算 IEEEAVB任务组更名为IEEE&IEC成立联合工作组 TSNTGIEC/IEEE60802进行TSN工业自动 将应用领域扩展到汽车、工业化领域的研究与行规制定。 领域。 以太网进入硬实时领域 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟ECC CONSORTIUN2022边缘计算产业峰会ITEI TSN适应智能制造应用需求 IT和OT网络采用不同网络技术，缺之统 一、标准、开放接口，难以融合 多种工业网络和非标网络设施使得现场 设备和数据更难以访问，并且对于接入智能制造对强大通信网络的需求 工业互联网造成技术壁垒 制造商需支持多种网络接口、配置工具挑战 云减少研发提高效率 数字化 极大地增加成本周期 工业应用中，制造执行需紧密协调传感新生产技术 和执行以实现安全有效地闭环控制 要求低传输延迟和最小抖动 2022边 T 个性化产品互联生产批处理 信息安全 自优化 新业务模式标准化 可持续竞争力 、边缘计算 增强灵活性 边云智联助力行业数字化转型边缘计算产业联盟EC CONSORPIUN2022边缘计算产业峰会ITEI TSN适应智能制造应用需求 和OT网络采用不同网络技术缺之统 TSN使用单一、开放、支持互操作的网络 设施 一、标准、开放接口，难以融合TSN在单一、标准以太网上使用高性能机 多种工业网络和非标网络设施使得现场 解决制以支持实时控制和同步 设备和数据更难以访问，并且对于