近日, 工业互联网产业联盟, Avnu联盟, 边缘计算产业联盟(ECC), Fraunhofer FOKUS, 华为, 美国国家 仪器 (NI) , 施耐德电气, 贝加莱 (B&R) 等超过20家国际组织和业界知名厂商组成的 '工业互联半壁江山' , 在全球规模最大的工业展会--2018德国汉诺威工业博览会上, 联合发布了包含预测性维护网络, 运动控制同步场景, 绘图运动控制等工业互联六大场景的TSN (时间敏感网络, Time Sensitive Networking) +OPC UA (OPC统一架构) 测试床. 众所周知, TSN与OPC UA的结合是预测性维护, 数据分析, 机器学习和人工智能等新技术的关键推动因素, 更是帮助工业企业落地工业互联网 '最后一公里' , 提高设备综合效率, 降低成本的重要支撑.
此次包含工业互联6大场景TSN+OPC UA测试床的联合发布, 不仅是向最终实现工业现场信息交互更经济高效迈出关键一步, 更将进一步推动行业数字化转型. 得益于自身在TSN领域的多年积累, NI联合华为在本次发布的TSN+OPC UA测试床中打造了分布式运动控制同步系统, 通过模拟丰富的真实智能制造场景, 协同其它5大工业互联场景Demo共同验证了TSN网络的高确定性和低时延, 同时也是以包含NI, 华为在内的这20+家全球领先的国际组织和厂商协力打通工业互联网 '最后一公里' 愿景的集中体现. 在业内, 德国汉诺威工业博览会素有 '全球工业技术发展风向标' 之称, NI市场策略与技术理事 (Business & Technology Fellow) Rahman Jamal在受邀参加华为于2018德国汉诺威工业博览会同期举办的TSN+OPC UA测试床联合发布仪式时表示, 'NI在2016年就加入了由工业互联网产业联盟 (IIC) 牵头的首个TSN+OPC UA测试床, 今天我们的合作伙伴华为展示的这个案例再次强调了TSN对于工业物联网的重要性, NI在TSN领域的持续投资和领导地位也证明了这一点. ' Rahman补充说: 'NI作为IEEE组织一部分标准制定团队的成员, 一直扮演着积极的角色; 我们也是Avnu联盟董事会成员; 除此之外, NI还是OPC基金会TSN工作组的主席; 最后, 我们是IIC的积极成员, 主导推进了多个测试床项目. 除此之外更重要的是, NI已经推出了支持TSN和OPC UA的产品, 我们非常自豪能够将TSN+OPC UA技术落地, 作为同步, 确定性通信领域的首要解决方案. 确保我们的客户能够创建可互操作的测试, 测量和控制系统. '
图1. NI市场策略与技术理事Rahman Jamal (左5) 受邀参加华为于2018德国汉诺威工业博览会同期举办的
TSN+OPC UA测试床联合发布仪式.
联合华为发布运动控制同步系统, NI TSN技术不能少!
如前所述, 在这个包含6大工业互联场景的TSN+OPC UA测试床, NI的贡献聚焦在运动控制同步场景的演示方案. 基于两台支持TSN功能的NI CompactRIO嵌入式控制器, NI提供了一套分布式运动控制系统的演示方案, 结合测试床提供的高可靠性和超低时延TSN环网, 展示了多个控制节点间高精度同步与实时通讯的应用场景, 也再次验证了TSN网络在复杂环境下保障工业场景严格同步的高确定性和低时延性.
图2. NI市场策略与技术理事Rahman Jamal (右一) 现场讲解NI TSN技术如何应用于整个TSN+OPC UA测试床.
据NI技术市场工程师易曦露介绍, 在这套分布式运动控制同步系统的演示方案中, 2台NI CompactRIO组合构成Server-Client互联系统, 分别连接至步进电机并对其实行运动控制. 而基于TSN技术, 两个控制节点间可以达到<1us的同步精度. 在测试过程中, NI尝试在TSN环网中发送一系列干扰数据 (如视频串流数据) 时, 系统仍能保持控制操作的准确性与同步性. '这意味着, 基于TSN网络的流量调度功能, 该系统能够有效协调OT与IT数据传输的优先级, 保证控制信号传输的确定性和实时性. ' 易曦露补充道.
图3. 联合华为, NI发布基于TSN技术的运动控制同步系统.
破解工业互联的不实时&不统一, NI认为TSN+OPC UA有心得
聚焦当前工业物联网发展现状, 从互联角度而言, 一方面, 现有网络难以满足工业生产高安全, 高实时和高可靠的需求; 另一方面, 由于缺乏统一的标准接口, 普遍面临互通性差等困境, 因此, 以信息通信技术为支撑的网络体系成为工业物联网进阶发展的关键. 而作为一组位于数据链路层的协议簇, 从底层架构中改变了以太网不确定性的TSN犹如 '天降奇兵' : 可达1Gbit/s的高带宽; 无缝集成现有应用和标准IT网络的互操作性; μs级别的确定性传输时间以及ns级的节点间时间同步的低延迟/高同步性; 高安全性等众多优势, 都让TSN成为助力IIoT加速实时化演进的方法论.
图4. NI认为工业互联的不断深化让高带宽, 实时性的工业现场信息交互成为关键.
尽管目前TSN仍处于技术定型测试阶段, 但近年来TSN确实发展迅速, 特别是2017年Avnu联盟, 工业互联网联盟 (IIC) 和OPC基金会宣布在TSN中引入OPC UA, 并将与IT-OT行业领导者合作推动工业物联网和工业4.0应用互操作性的消息给业界带来不小震动.
如果说专注产品互通性和稳定性的TSN解决的主要是底层数据获得的问题, 提供了网络通信的高确定性和低时延; OPC UA解决的就是应用层语义解析的问题, 它则提供了一个独立于平台的面向服务的体系架构, 为整个企业的互操作性提供了必要的基础设施, 真正实现了不同厂商, 不同设备之间的交互. 而基于两者建立起的统一通道, 不仅将彻底统一数据链路的服务标准, 更有可能打破传统工业的结构. 因此, 业界普遍认为TSN与OPC UA的融合将会为整个工业互联带来全新局面. 目前, 已有很多走在技术前端的工业自动化主流厂商着手展开对TSN+OPC UA的研究与实践, NI正是其中之一.
看好TSN为 '工业互联新风口' , NI TSN产品矩阵不断延展
追溯至2012年11月, IEEE 802.1任务组正式将AVB (以太网音视频桥接技术) 更名为TSN, 同时也确立了TSN的4大应用场景: 专业音视频 (Pro AV) , 汽车控制领域, 商用电子领域以及未来最广泛的应用: 所有需要实时监控或实时反馈的工业领域. 对于一家扎根测试测量领域的企业来说, NI是一家客户及业务范围遍布全球的 '全能型' 公司, 因此NI孵化产品矩阵的着眼点, 一方面是坚守自身 '以软件为中心' 的战略核心和深入多行业测试需求的初衷; 另一方面即是专注于当业内出现 '新风口' 出现, 如何基于现有产品形成融入新标准, 新技术更灵活的独立组件, 去迎合市场和用户需求的激增.
因此, 同在2012年, 作为国际工业物联网联盟IIC成员, NI成立了TSN任务小组, 与思科, 英特尔等众多行业领导者共同定义, 标准化和推动TSN的应用. 随着TSN技术的日益成熟, 及其与OPC UA的进一步结合, 更是在本身就火热的TSN上加了一把火: 业界第一批TSN产品Intel, Broadcom, Marvel TSN芯片的接连推出; 以及思科, Hirschmann等公司推出支持TSN的交换机……当然也包含NI在这两年持续推出的多款支持TSN的分布式边缘计算平台:
2016年, NI针对工业物联网推出首款IP67级, 适用于极端环境的IC-317x系列工业控制器, 为自动化图像处理和控制应用提供最高级别的处理能力和连接性;
NIWEEK 2016上, NI发布支持TSN的嵌入式控制器CompactRIO cRIO-9035和cRIO-9039, 在提供多个实时处理器与FPGA间基于TSN网络同步的基础上将最高同步精度达到<100ns, 特别适用于搭建分布式控制系统及协调OT+IT流量调度;
NIWEEK 2017上, NI再次推出全新基于TSN的CompactDAQ机箱--cDAQ-9185和cDAQ-9189. 作为专注于分布式测量及同步领域的以太网机箱, 该款CompactDAQ最高同步精度<100ns, 多跳精度<1μs;
2017年底, NI宣布推出坚固耐用的分布式同步FieldDAQ设备, 并将TSN 引入最严苛的测试单元和室外环境. 由于FieldDAQ集成了TSN, 因而可支持大部分工业I/O和控制厂商 (比如博世, 贝加莱和施耐德电气) 的第三方TSN解决方案;
图5. NI持续延展TSN产品矩阵, 在全球TSN生态联盟中实力表姿态.
当然, 全新FieldDAQ是除工业控制器, CompactDAQ和CompactRIO之外的又一产品系列, 它的推出更将预示NI TSN产品的进一步扩充. 在未来, NI还会继续大力推进TSN技术落地, 并将其应用在更多的工业互联场景中.
以生态包围产品, NI携行业标杆企业共同 '搅动' TSN风口
对内, 专注积累自身技术优势; 对外, 积极开拓产业合作边界, 作为测试测量行业的领先企业, NI不仅是工业互联网联盟 (IIC) 的会员, Avnu联盟的董事会成员 (Board of Directors) , 还是中国边缘计算产业联盟 (ECC) 的常务理事成员, 在全球工业互联生态中占据重要一席. 在TSN领域, NI同样积极打造自身 'TSN生态' .
早在NIWEEK 2016, NI就联合Cisco, Intel推出了全球首个TSN体验技术平台; 2017年初, NI正式开启工业物联网实验室 (Industrial IoT Lab) , 其中运营重点之一就是TSN柔性制造, 希望联盟思科, Avnu联盟, 英特尔以及赛灵思等业内巨头, 通过TSN现场测试平台的演示, 展示来自12家公司在TSN网络上的合作. 2017年底, NI更是在其全球首个TSN体验技术平台中加入了年度新品--基于TSN的CompactDAQ机箱. 通过和传统基于UDP进行信息传输的比较, 再次验证了TSN能够保持时间敏感数据的优先传输, 从而实现实时性和确定性, 确保IT和OT的无缝融合.
其实, 早在去年年底的2017边缘计算产业峰会上, 作为边缘计算产业联盟 (ECC) 理事会常务理事成员的NI就已宣布将与联盟中的一部分核心企业展开合作, 致力于将国外领先的技术优势, 例如TSN技术, 与国内垂直行业应用场景的特殊性相结合, 加速边缘计算在各行业的落地, 而华为正是ECC的创始成员之一. 相信不久的将来, 也将看到更多由NI助力的应用落地中国工业场景.
