基于TSN技术的工业网络解决方案

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基于TSN技术的工业网络解决方案众所周知，以太网已经成为家庭、企业及数据中心网络连接和互通的最广泛的通信协议标准。然而因为其确定性、实时性、可靠性等因素，传统以太网并不适用于工业数据通讯。例如以太网存在的 CSMA/CD 机制，当网络出现冲突时需不断重发数据，这对于网络实时性带来挑战；另外，因工业现场面临恶劣的工况、严重的线间干扰等，也导致以太网可靠性大打折扣。

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研究背景

而工业以太网，相较于传统以太网、现场总线等在实时性、传输速率等方面都有明显的改观，并已经占据了以太网市场的半壁江山。

不过，这些专有的工业以太网协议仍然面临瓶颈，虽然它们在满足机器运动控制等方面已经绰绰有余。因为当云计算、大数据技术逐渐渗透到工业领域，工业数据通讯并不再仅限于机器到传感层，也不仅限于机器到机器之间，而是扩展到了与人、云和应用等更丰富的连接，有更多类型和更多海量的数据需要传输和处理，而对于数据处理的链条也变得更长，包括在边缘侧，包括云端，包括与企业生产系统和管理系统的逐步打通。因此，如何应对通过更高带宽进行海量数据的联接和传输，如何做到更精准的确定性控制和更低时延，仍是工业制造面临的巨大挑战。

1.2 实施目标

TSN+OPC UA 组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。

TSN 技术和 OPC-UA 相结合，可以满足工业应用的各种传输需求。通过该解决方案可以支持工业设备的联网接入，实现设备之间的互联互通。进一步的，使得生产制造系统具有高度灵活性，工厂车间网络架构可以快速调整优化，有效提升网络化协同制造与管理水平。

TSN（时间敏感网络）+ OPC UA（OPC 统一架构）成为从传感器到云端建立全面通讯基础结构的最佳拍档。

TSN 的工作原理是在传输中让关键数据包优先处理。这意味着关键数据不必等待所有的非关键数据完成传送后才开始，从而确保更确定、更快速的传输路径。本质上来说，TSN 建立了一套能使以太网具有实时性和确定性的新标准。

基于 TSN 提供的网络通信的高确定性和低时延之上，OPC UA则提供了一个独立于平台的面向服务的体系架构，它定义了统一的标准和信息模型，可以实现设备与设备、设备和企业，以及不同厂商设备之间的交互。

TSN+OPC UA 组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络，将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。

举例来说，在工厂数据采集、传输与生产运营中，都会需要对现场的机器状态、生产能耗、质量相关、生产相关参数进行采集，TSN+OPC UA 在整体上使得在工厂的各个环节的横向与纵向数据实现了透明交互，并且配置效率更高，程序与应用模块化更强。

1.3 适用范围

因为智能制造关于柔性出产提出了更高要求，以及跨渠道、跨职业的应用需求越来越多，大型实时工业通讯网络为运营者带来了严峻的应战。

基于 TSN 的通信技术，可以适用于工厂的设备层、控制层以及企业层的层间以及层内设备的高精度通信，可应用于工业的多个场景。

2 需求分析

未来工业领域将有数以百亿计的设备衔接上网，传统工业以太网无法接受巨大的数据传输量，需求一种新的架构来满意高带宽、高速率和海量衔接等方面诉求。柔性制造正得到越来越广泛的应用，它具有设备可复用性高、运行灵活及产品应变能力强的特点。一旦生产需求发生变化，需要快速调整生产系统的结构和控制系统，重置工艺流程与设备配置，以适配新的需求。

但是，工业现场网络的互联互通性，已经成为制约制造业发展的薄弱环节。通过 TSN + OPC UA 打通工业信息通信路径，加速制造行业数字化转型，提升工业现场网络的信息交互效率，实现有效信息提取和传递。

自从可编程逻辑操控器（PLCs）面世以来，工业自动化流程得到了极大优化。OT（运营技能）与 IT（信息与通讯技能）之间的交融令人兴奋，将带来特别的体会。OPC UA 和 TSN 的结合，让工业领域得以完成实时信息交流和互操作。