為通信選擇合適的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以為供應商、原始設備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商帶來優(yōu)勢。

在工業(yè)自動化領域，產(chǎn)品供應商一直在尋求獲得競爭優(yōu)勢，而通信一直是一個差異化因素。從早期的現(xiàn)場總線大戰(zhàn)，到目前各種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，通信仍然處于差異化的前沿。

以太網(wǎng)的應用越來越普遍，這是有充分理由的。信息技術（IT）領域的規(guī)模和實力，正在創(chuàng)造出經(jīng)濟高效、高性能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品應該應用于工業(yè)領域。最終用戶的期望是產(chǎn)品應該開箱即用，每個人都關心安全性和最重要的端到端數(shù)據(jù)可靠性。由于網(wǎng)絡安全問題無處不在，有許多硬件和軟件解決方案可供開發(fā)和復用，以實現(xiàn)工業(yè)電網(wǎng)的安全和保障。

01

按產(chǎn)品、應用分類的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議

根據(jù)不同的應用目的，設計了各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所使用的解決方案取決于所選擇的供應商和所應用的產(chǎn)品。通常情況下，一旦選擇了產(chǎn)品，對應的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議也就確定了。協(xié)議是用來完成工作的幕后技術，很少有必要熟悉其內(nèi)部運作。一些協(xié)議被設計為高性能，另一些協(xié)議則專注于通信效率，還有一些協(xié)議則旨在用于客戶端/服務器或發(fā)布/訂閱架構。

我們需要這些以太網(wǎng)通信協(xié)議來從不同的設備獲取數(shù)據(jù)。OPC UA（統(tǒng)一架構）也是一種促進數(shù)據(jù)建模和信息傳輸?shù)耐ㄐ艡C制，所有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都能與OPC UA無縫協(xié)作。

02

什么是TSN技術？

由IEEE 802.3標準組管理的以太網(wǎng)正在持續(xù)改進。2017年，該組織發(fā)布了《IEEE局域網(wǎng)和城域網(wǎng)標準——時間敏感應用的定時和同步》。時間敏感網(wǎng)絡（TSN）允許在同一條物理線路上，共存多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和商業(yè)網(wǎng)絡，不同的設備和應用程序在其上進行通訊。這為運營（OT）網(wǎng)絡和IT網(wǎng)絡的融合打開了大門。它帶來的好處包括：

■通過讓所有設備共享一條線路來簡化架構。

■由于簡化了網(wǎng)絡而降低了成本。

■通過從IT網(wǎng)絡提供設備的可訪問性，使管理更容易。

■通過對流量進行分類/優(yōu)先排序，提高了可靠性。

■通過暴露控制元素的數(shù)據(jù)來加速數(shù)字化轉型。

這些都是高度競爭和面向未來的智能工廠的基本特征。

源于視聽和汽車應用的TSN技術，也適用于工業(yè)應用。工業(yè)市場需要一種方法來保證確定性、高性能和數(shù)據(jù)可靠性。同時，有必要在同一條物理線路上管理和共存多個商用現(xiàn)成以太網(wǎng)協(xié)議和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。

03

TSN是如何工作的？

TSN是一種基于標準的技術，位于OSI模型的第2層（數(shù)據(jù)鏈路），以擴展當前以太網(wǎng)的功能。TSN由IEEE 802.1以太網(wǎng)子標準集描述，并專注于在一個網(wǎng)絡上提供多個數(shù)據(jù)業(yè)務流的確定性和收斂性。提供這種功能的兩個重要TSN子標準是IEEE 802.1 AS和IEEE 802.1 Qbv。

第一種方法確保網(wǎng)絡上的所有設備都是同步的，為確定性打下基礎。一旦在網(wǎng)絡中建立了時間共享，IEEE 802.1 Qbv就定義了“時間感知整形器”。這些整形器定義了分配給不同類型網(wǎng)絡流量的特定“時隙”，并根據(jù)所攜帶的信息進行優(yōu)先級排序。因此，不同類型的數(shù)據(jù)流量都可以以可預測的方式在網(wǎng)絡中傳播，從而進一步支持確定性通信。這種方法支持多種業(yè)務類型的融合，具有將OT和IT領域結合起來的能力。

04

從終端用戶角度看TSN

工業(yè)自動化市場是一個由終端用戶組成的生態(tài)系統(tǒng)，他們向機器制造商委托項目，而機器制造商則尋找能夠提供符合這些規(guī)范的產(chǎn)品和解決方案的供應商。

包括原始設備制造商（OEM）和系統(tǒng)集成商在內(nèi)的終端用戶的一個關鍵優(yōu)勢，是提供更簡單的網(wǎng)絡架構和相應的機器設計，使得不同應用和設備能夠和平共存。OEM和系統(tǒng)集成商面臨的最大挑戰(zhàn)，是如何配置和管理集成解決方案，然后將這些知識傳授給維護和使用機器的最終用戶。簡化的架構和易于管理的設備是一個關鍵優(yōu)勢。

工業(yè)以太網(wǎng)組織都希望他們的協(xié)議易于工作、配置和維護。是否采用這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，取決于易用性和可靠性等性能，以及是否能夠?qū)崿F(xiàn)運動和安全等復雜活動。

05

工業(yè)通信的互操作性

供應商希望生產(chǎn)出有效的產(chǎn)品。用戶希望購買適合的產(chǎn)品，了解多供應商的互操作性概念，并使用來自不同供應商的產(chǎn)品，而不依賴于運行的網(wǎng)絡和技術。期望工業(yè)和商業(yè)運營的設備和應用可以在同一條物理線路上無縫運行。這以一個基本的假設為前提：商業(yè)應用不能影響工業(yè)OT應用的控制。

OPC UA不是一種協(xié)議，而是一種基于現(xiàn)場級通信（FLC）的標準化工業(yè)互操作性解決方案，可以利用TSN技術來運行復雜的應用。IT和OT之間的數(shù)據(jù)和信息集成是TSN技術的副產(chǎn)品。OPC基金會正在與工業(yè)以太網(wǎng)組織合作，以更好地利用TSN并與不同的應用和網(wǎng)絡共存。

TSN支持的IT與OT融合加強了整個企業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸，允許最終用戶獲得更大的過程透明度。透明度是指能夠從工業(yè)應用和設備中提取更多數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)，并將其轉化為有意義的信息，以更好地維護和優(yōu)化運營。其結果是可以充分利用信息并提供必要的洞察力，從而可以優(yōu)化性能、生產(chǎn)力和效率，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量。這意味著帶寬很重要，但互操作性方面更重要。用戶可以放心，系統(tǒng)可以相互通信，工業(yè)控制也可以不間斷地持續(xù)運行。

關鍵概念：

■ 以太網(wǎng)協(xié)議多種多樣，設計目的各不相同。

■TSN允許設備和應用程序通過多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行通信。

■TSN使IT和OT更容易融合。

審核編輯：劉清