更简单、更经济、更快速：TSN 在工厂自动化网络中的应用与日俱增

来源：富昌电子

如今，工厂自动化网络技术的安装基础仍然以熟悉的协议为主，例如 Profinet、EtherCAT® 、Modbus-TCP 和以太网/IP，如图 1 所示。时间敏感型网络或 TSN 等新技术在工业领域仅占有很少的领地。虽然工业领域的技术变革速度确实比消费电子领域慢，但毫无疑问，变革即将到来。


图 1：据 HMS Networks 的研究，2020 年新工厂网络设施的市场份额（图片来源：HMS Networks，hms-networks.com。）

TSN 在工厂自动化网络中的应用现在正受到它提供的强大财务和运营优势的推动。事实上，这种趋势并不仅限于工厂：在汽车、火车、建筑物和其他地方，TSN 开始成为全以太网通信的支柱。

正如本文将展示的那样，OEM 厂商在构建 TSN 网络接口卡 (NIC) 和 TSN 兼容设备时可以从一整套产品选项中进行选择，使他们能够满足各种电路设计要求。

推动向 TSN 过渡的因素

多年来，工厂向 TSN 过渡的背后势头一直在增长。2009 年，随着 AVNU 联盟的成立，工业或汽车环境中首次正式宣布了以太网协议镜像的概念，这是自 1990 年代以来有线办公网络的普遍特征，得到了工业和汽车网络技术领域一些著名企业的支持，包括思科、英特尔、博世、通用电气、宝马、通用汽车、恩智浦半导体和瑞萨等。

该小组承担了开发称为音频视频桥接 (AVB) 的强大以太网版本的任务。2011 年成立的 AVB 任务组的目标是开发一种基于以太网、适用于连接摄像头和显示器等汽车信息娱乐设备的协议。

AVNU 联盟随后将其工作扩展到涵盖工厂自动化，“时间敏感网络”一词于 2012 年出现。在 IEEE 的支持下，AVNU 联盟着手制定一套标准，为运营技术 (OT) 应用定义 TSN 网络的附加功能。标准 TSN 协议将建立在信息技术 (IT) 设置中实施的基本以太网协议之上。TSN 标准的发起者承诺其优点是简单、低成本和高性能的组合。

如今，工厂受到以下问题的困扰：

· 不兼容的工业以太网和现场总线协议激增，如今一个工厂通常包括两个、三个或更多的离散网络
· 网络系统提供的每个离散服务（例如音频、控制、诊断和多媒体）采用单独布线

这导致网络布线的重复，并因此导致材料和安装成本的重复。

工厂内部的众多网络标准也将不同的设备集隔离成网络孤岛：一个孤岛中的设备对于另一个孤岛中的设备来说是隐藏的。这阻碍了工厂自动化系统中的设备集成。OT 和 IT 系统之间同样缺乏透明度。

网络架构的绝对复杂性也使维护和维修操作更加困难、耗时和昂贵。

TSN 提供了一种消除所有这些问题的方法。在工厂系统中，它可以作为现场总线和工业以太网协议产生的流量的载体。就开放系统互连 (OSI) 模型而言，TSN 是一种第 2 层网络技术。

支持 TSN 的以太网产品还提供 100 Mb/s 或更高的数据传输速率，而当今大多数工业以太网网络和工厂中的其他连接服务都以 100 Mb/s 或更低的数据速率运行。这意味着 TSN 技术的实施允许运营商在单个以太网介质上集成多种服务，如图 2 所示。


图 2：TSN可以作为多种现场总线和工业以太网网络的载体（图片来源：富昌电子）

因此，TSN 可以解决工业网络技术激增带来的问题：

· 单根网线可减少材料用量、简化安装并减少资本支出。
· 不同供应商提供的设备之间的透明度更高，互操作性测试更简单，设备更容易集成到基于 TSN 的基础设施中。
· 能够更简单地集成OT 和IT 系统和服务。支持采用工业 4.0 方法，将现场设备连接到互联网。
· 更简单和更经济的操作程序。当网络系统集成到基于 TSN 的基础设施中时，需要监控和维护的网络设备更少，更容易跟踪故障点和修复故障。

网络的简化也有助于提供安全性，这是采用工业 4.0 技术不可或缺的条件。在 TSN 之前，OT 系统可能由多个网段组成，每个网段的安全性都必须单独管理。这增加了 IT 部门的负担，并增加了安全漏洞的风险。

借助 TSN，VLAN 技术使运营商能够在单个集成以太网拓扑中虚拟地运行多种不同的网络服务。 这意味着安全程序只需要应用于 TSN 节点，而不是异构网络节点：这简化了 IT 端的安全管理，从而降低了使网络易受攻击的风险。

TSN 协议的主要特性

AVNU 联盟于 2011 年开始的工作以在各种 IEEE 标准中编纂的强大协议告终。这些标准涵盖了网络的以下主要操作特性：

· 时间同步
· 延迟
· 资源管理
· 可靠性

这些标准位于基本 IEEE 802.3 以太网标准之上，确保各种网络协议的服务级别在集成到 TSN 后得以维持，如图 3 所示。


图 3：构成 TSN 协议的传统以太网标准之上的附加标准

完整的 TSN 组件和模块生态系统

在工业设备中实施 TSN 的设备设计人员可以选择 TSN 网络设备关键组件、收发器和交换机的分立式版本和片上系统 (SoC) 版本。

分立式版本专用于收发器或交换机功能，并与单独的主机 CPU 一起运行。分立式收发器或交换机的使用使设计人员可以自由地维护传统的微处理器架构，并重新使用为该架构开发的应用软件。

分立式 TSN 收发器的典型示例是 Microchip LAN9668，一款 TSN 交换机。它可以与 LAN8814 结合使用，LAN8814 是 2022 年 1 月推出的第 1 层（物理层）产品，可在单个设备中提供多达 8 个以太网端口。

瑞萨还提供 RZ/N2L 系列三端口 TSN 交换机。恩智浦的 SJA110x 系列提供了另一种 TSN 交换机选项。

SoC 版本包括一个片上处理器，用于运行 TSN 协议和执行网络控制功能，并支持应用程序。TSN 收发器 SoC 的示例包括：

· 恩智浦半导体 i.MX8M Plus、i.MX 8DualXLite 和 i.MX RT1176
· 瑞萨 RZ/G2、RZ/V2M和RZ/T2，还支持集成到TSN中的其他工业以太网协议，例如 Profinet CC-D，即Profinet-over-TSN

虽然上述示例是支持 TSN 的收发器 SoC，但也有 TSN 交换机 SoC：

· 恩智浦 LS1018 和 LS1028
· Microchip Sparx-5i

SoC 版本的优势是硬件布局更简单，组件数量更少，因此开发时间更短，BOM成本可能更低。

这些 TSN 产品（包括分立式和 SoC 版本）均由全面的软件和工具产品提供支持，以支持完整的 TSN 应用的开发。

虽然 SoC 版本提供了比分立式同类产品更简单的硬件布局，但它们仍然给设计人员带来了集成挑战，包括提供 DRAM 存储器和电源管理系统。为了简化实施并缩短上市时间，带有 SoC 版本的 TSN 组件的系统级模块 (SOM) 是一个可行的选择。SOM 选项对于硬件开发资源和时间有限的制造商也很有帮助。富昌电子提供 Karo Electronics 和 iWave 的 SOM 产品，它们支持 i.MX 8MPlus 等收发器 SoC。

TSN 组件的生态系统还获得了实施 TSN 或以太网设计所需的广泛的无源和连接器产品的支持，这些产品都可从富昌电子获得：

· 来自 TE Connectivity、Amphenol Communications Solutions、Hirose、Harting、WAGO、METZ CONNECT等制造商的连接器
        RJ45 插孔和插座
        ix 工业连接器
        用于以太网布线的卡入式端接接线端子
        单对以太网连接器，为工业以太网和 TSN 设计提供了降低成本的机会
· 用于以太网终端的磁性材料，来自 Eaton 和 Pulse Electronics 等制造商
· 以太网供电 (PoE) 和相关电源组件，来自 YAGEO 和 Eaton 等制造商

支持性开发环境

上述广泛的产品选择表明，在工厂自动化设备中实施 TSN 由成熟的组件生态系统提供支持。此外，许多熟悉传统现场总线和工业以太网协议的联网工业设备设计人员可以将他们的许多开发资产转移到 TSN。

尽管如此，仍然不得不说，迁移到基于 TSN 的网络架构需要设计人员学习和适应新技术。这包括需要配置 TSN 的功能以支持整个网络。富昌电子已准备好在转型过程中为设计工程师提供支持，通过网络和嵌入式计算方面的本地和区域专家提供有关网络实施和组件选择的指导。