close
当前位置: 物联网在线 > 物联网设计开发 > RF/无线 >

TSN:工业物联网融合网络

工业物联网(IIoT)实施的主要挑战之一是信息澳门美高梅娱乐城(IT)和运营澳门美高梅娱乐城(OT)网络的融合。目前,这些网络存在于不同的域中。有限的每个方向的通信都可以通过专用网关进行。融合这些网络是Cyber​​ Physical Systems的一个关键推动因素,其中节点使用Industrial IoT互相交互。
控制工厂自动化的当前架构是分层的。最高级别的企业资源规划(ERP)应用程序提供了业务核心流程的集成管理和自动化,并逐渐向控制制造流程的制造执行系统(MES)迈进。可编程逻辑控制器(PLC)系统使用连接的工业设备执行自动化任务,例如电力驱动器,传感器或驻留在最低级别的I / O。这通常被称为“自动化金字塔”(图1),说明了底层设备的数量和顶层的高性能计算机。金字塔层说明层次结构。
自动化金字塔与典型的网络分配到层次结构图1 - 自动化金字塔与典型的网络分配到层次结构。 - 通过Xilinx的图像
金字塔中的不同图层有不同的网络要求。尽管较高层需要高带宽和灵活的网络拓扑结构,但较低层需要确定性行为以及以低数据包延迟变化以恒定间隔传输样本的能力。这导致多个网络并行工作。
融合网络将解决目前存在于当今不同网络架构中的若干挑战:
  • 更高的透明度:所有层级的所有数据都可以被工厂中的每个元素访问,而无需翻译。
  • 减少网络规划:更灵活的拓扑可以实现更轻松的更改。
  • 减少资本支出:减少布线,减少不同协议网络之间的网关。
  • 减少运营成本:减少网络管理工作。
  • 更多带宽:避免限制到一个网络速度。
  • 针对M2M进行了优化:可在整个工厂内使用通用数据模型(如OPC UA)进行互操作。
时间敏感网络(TSN)提供了这种融合。TSN是一组IEEE 802子标准,在实施时,能够在同一网络上通过以太网实现确定性通信,同时以尽力而为的方式保持通信的优势。
TSN引入了共享相同链接的不同流量类别。TSN网络配置为具有确定性时间特征的流保留资源。因此,TSN使得能够实现支持多种通信标准的一个公共网络。
这比标准以太网引入了一些改进。标准的以太网通信不是时间意识; 它通过排队的数据包在链路的整个带宽上分发数据以便传输。TSN以循环间隔的配置偏移量实现时间感知。这遵循由网络配置控制器分配的时间表。进一步的TSN功能为TSN流引入了过滤和监管功能,实现了无缝冗余,并支持循环数据传输,同时也为更高优先级的数据包提供优先权。
TSN是由一组IEEE 802.1标准定义的,这些标准指定了图2)的实现。截至2017年9月,其中四个标准被采用,其余的仍在任务和工作组阶段。
IEEE TSN标准图2 - IEEE TSN标准。 - 通过Xilinx的图像
这些标准是通过以太网(IEEE 802.3物理层)实现的,并且支持星形,链形,环形和混合拓扑,并且不限于特定的数据速率。工业应用将主要使用100Mbit和1Gbit的数据速率。因此,TSN提供了IT和OT网络之间的融合。这种融合降低了实施网络的成本,大大降低了拥有和运营的成本。

TSN实施

正确实施TSN需要一个能够在TSN端点和TSN网桥上提供低延迟和确定性响应的解决方案。许多应用通过将高速链路(如PCIe)连接在一起的处理器和FPGA相结合来解决这一难题。这种双芯片解决方案不仅增加了占用的电路板空间,功耗,开发时间和成本,还阻碍了开发整体集成解决方案。由于设计在两个设备之间分割,这也增加了验证的复杂性。
IIoT解决方案提供商越来越多地使用All ProgrammableZynq®-7000和Zynq®UltraScale™+ MPSoC器件来实施他们的解决方案。这些器件提供了处理系统(PS)和可编程逻辑(PL)的组合,通过优化使用PS和PL,可以实现采集,控制和处理应用,这要归功于:
  1. 能够连接和控制各种传感器,执行器,电机和其他应用特定的接口。
  2. 能够在边缘实现复杂的处理,例如机器学习,传感器融合,图像处理和实时分析。
  3. 有关网络接口数量的可扩展性。
  4. 安全性以及设备和系统在信息保证,防篡改和信任方面的安全能力。
对任意接口的支持以及将耦合处理系统和可编程逻辑耦合在一起的能力,使得Zynq-7000和Zynq UltraScale + MPSoC器件非常适合在用户应用之后实现TSN。
赛灵思的1G / 100M TSN子系统LogiCORE IP由用于MAC,TSN桥接和TSN端点的FPGA逻辑组成。具有专用逻辑资源的TSN设计保证了时序行为是严格确定的。在SoC的处理系统中运行的软件用于网络同步,初始化以及与网络配置控制器接口以用于流预留。该软件设计用于在Petalinux上运行,并将为Yocto版本发布。
LogiCORE IP还带有一个可选的集成时间感知二级交换机,可以创建许多工业应用所需的链式或树状拓扑,而无需在外部TSN交换机上分配另一个端口。无缝冗余(P802.1CB)也需要额外的端口。完整的IP如图2所示。用户可以在合成前自由配置是否集成交换机。
赛灵思Zynq-7000中的TSN IP图3 - Xilinx Zynq-7000或Zynq UltraScale + MPSoC中的TSN IP。 - 通过Xilinx的图像
一旦实例化,TSN IP内核为每个流量类别提供单独的AXI流式端口。预定的流量,保留的流量和尽力而为的流量是支持的。AXI Streaming端口连接到赛灵思Vivado®Design Suite引入的基础架构。AXI Lite用于配置TSN块。
赛灵思为评估目的提供了一个随时可用的实现,其中包括针对每个流量类别的直接内存访问。该评估系统可以用于测试赛灵思器件之间以及与第三方设备或协议分析仪相结合的行为。图4显示了评估系统的框图。
TSN实现用于评估目的图4 - 用于评估目的的TSN实施(针对Zynq UltraSale + MPSoC)。 - 通过Xilinx的图像
由于可编程逻辑具有灵活性,因此随着TSN标准和市场细分特定一致性测试的进展,它还能够更新IP核,而具有固定硬件实现的器件(如定制ASICS和专用标准澳门美高梅娱乐在线ASSP)则无法引入TSN演进的功能变化。
为了演示TSN IP内核的实际应用,赛灵思为ZCU102和ZC702开发板开发了一个演示应用程序,分别采用Zynq UltraScale + MPSoC和Zynq-7000系列器件。当其中两个板连接时(图5),可以传输和接收网络流量,验证TSN网络功能。
TSN评估系统图5 - TSN评估系统(适用于Zynq UltraScale + MPSoC)。 - 通过Xilinx的图像
为了进一步支持TSN部署和应用,赛灵思是工业互联网联盟(IIC)的时间敏感网络测试平台的成员之一。参与该测试平台可以执行供应商互操作性测试,同时测试高性能和延迟关键应用程序。这种测试可以在位于美国或欧洲的两个永久性试验台之一正式进行。

把它包起来

为了实现工业4.0和IIoT网络物理系统的部署,IT和OT网络之间需要融合。TSN提供了融合这些网络的能力,在网络连接,可扩展性以及部署和拥有成本方面提供了显着的优势。在All Programmable Zynq-7000 SoC或Zynq UltraScale + MPSoC器件中实现TSN为用户提供了单芯片解决方案,该解决方案还可以在PS和PL中提供处理能力,以在边缘执行IIoT应用。
赛灵思的TSN于2017年5月发布,名称为1G / 100M TSN子系统LogiCORE IP,用于早期接入客户,并将在2017年第四季度继续推出。

(责任编辑:ioter)

用户喜欢...

工业物联网将为我们带来“自愈”机器

研究人员说,机器嵌入的物联网传感器不仅可以监控机械故障,还可以让机械自动修复。...


思科:成功推展工业物联网计划五大要素

工业物联网没有像消费性网络一样呈现爆炸性成长,但却可能带来的丰厚投资回报,却非常引人注目。据报导,思科...


自己接单自己生产,工业物联网智慧过人

物联网时代,大部分厂商没有能力和资金,难以进行大量且长时间的数据处理,因此,工业物联网平台必须提供简易...


工业物联网挑战艰巨 七个测试平台格外重要

智能工厂、智能程序、智能电网、智能运输系统等日渐风行,企业纷纷从概念性验证转为大规模部署,虽然这些澳门美高梅娱乐城...


导入工业物联网不必瞎子摸象 智能工厂连网有一套

工业4.0或工业物联网,对很多生产制造的企业,是既期待又怕受伤害的概念及决策。随着工厂迈向智慧自动化,工业...


物联网并非专注于制造商 经销商也要动起来

当制造商纷纷部署物联网,经销商似乎觉得事不关己,但事实上物联网早已悄悄潜入经销通路,例如贩卖机自动传输...


借工业物联网融合IT与OT 驱动制造服务化转型

展望至2025,这些智能应用当中最富含钱景者,其实是智慧工厂,有高达1.2兆美元~3.7兆美元的产值潜力,由此不难理解...


物联网平台已逾450种 惟工业标准仍有不足

消费者物联网主要锁定智能家居,有亚马逊、苹果、Google、 LG和三星电子等科技龙头共襄盛举。至于工业物联市场,...


工业物联网稳居未来十年经济转型要角

无论是工业4.0(Industry 4.0)抑或是工厂所需的智慧应用,工业物联网(IIoT)都将是这些概念未来发展的主体架构。研调机构...


瑞萨电子推出增强型RX65N/RX651微控制器,强化工业物联网的安全性

瑞萨电子株式会社(TSE:6723)今日宣布,扩展其广受欢迎的RX65N/RX651微控制器(MCU)系列澳门美高梅娱乐在线,以满足工业自动化、楼宇自动化和智能表计系统更高的安全需求。扩展的微控制器集成了Trust...


博聚网