全球知名諮詢機構“羅蘭貝格”在其《擁抱5G新世界》的產業報告中指出：5G通過強大的無線連接、邊緣計算和網路切片技術，將助力無線自動化控制、工業雲化機器人、預測性維護、柔性生產等行業突破，驅動工業4.0的真正落地，進一步推動未來工廠的誕生。然而，儘管在技術性能指標上5G可以承載工業網路不同的典型業務，但業界普遍認為5G工業應用仍然存在很多關鍵問題有待解決，包括：網路中斷對於工廠設備和生產的影響是不可接受的，需要解決安全性和可靠性;傳統生產設備的現場匯流排和資料獲取設備相容性存在很多問題，改造難度和成本高;針對工業應用場景的URLLC(超可靠、低時延通信) 0.5ms的上下行時延目標難以滿足部分強時間敏感性工業應用的要求;等等。
如果說部署中的5G為工業智慧畫下未來的理想願景，那麼基於時間敏感網路(TSN)改造大量應用於工業製造的乙太網則已經就位，相關技術正在促成智慧製造落地。ADI系統應用工程師Volker 在兩年前曾撰文指出：“TSN勢不可擋，而唯一有待確認的是什麼時候到來以及以什麼形式到來。”而今天，各種勢頭顯示落地已經進入進行時。“通過與TSN特性相結合，ADI在工業網路邊緣已經實現了最先進的現場設備通信解決方案。” ADI中國區工業自動化行業市場部經理于常濤(Roger)在前不久的一次行業交流活動中透露，他提及的先進現場設備通信解決方案是該公司支援多種乙太網協定交換的fido5000系列交換平臺。
無論是5G還是傳統工業乙太網改造都需要達到工廠間設備的苛刻性能要求。
從雷聲大到雨聲大，基於乙太網的即時通信勢在必行
時間敏感網路是指IEEE 802.1工作組中的 TSN 任務組開發的一套協議標準。該標準定義了乙太網資料傳輸的時間敏感機制，為標準乙太網增加了確定性和可靠性，以確保乙太網能夠為關鍵資料的傳輸提供穩定一致的服務級別。該技術在初期就引起業界的重視，特別是近兩年來這個曾經陌生的專業詞彙在各種專業媒體上頻繁出現，成為工業4.0山雨欲來前的“雷聲陣陣”。
而時間進入2019年，TSN在產業界則更多的聽到落地的“雨聲”：PROFINET最新規範V2.4版本發佈，該規範最大亮點是實現了將TSN作為第二層的技術集成到PROFINET架構中的設定目標;新一代網路通訊協定CC-Link IE TSN也差不多同期發佈，在全球率先將千兆乙太網頻寬與TSN相結合，拓展了CC-Link IE基於工業乙太網實現企業從資訊層到應用層縱向整合的先進通信技術;而在2019年漢諾威工業博覽會上，眾多產品演示解決方案都昭示著TSN正在掀起工業互聯網的浪潮……
隨著各種智慧化改造工程的推進，各種感測器節點與PLC之間的傳統通信協議讓位於各種版本的超高速乙太網協定，為工廠操作技術(OT)基礎設施與企業資訊技術(IT)基礎設施採用基於TSN的乙太網高度集成創造了條件。最近幾年，幾乎所有TSN相關的工作小組都在解決一項課題：確保轉移至TSN以及為現有網路提供資源，這將是像各種在原有設施上翻建一樣。
事實上，業界已經基於TSN成功開發出符合IEEE 802.1的標準乙太網擴展版本，成功地擺脫了過去的限制。TSN相較以前的工業乙太網方式最大的技術優勢是其可擴展性。與當前的工業網路不同，TSN並不針對特定的傳輸速率進行定義，TSN可用於100 Mbps，也可同樣用於1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。“為了支援這種擴展需求，ADI推出的fido5000乙太網平臺使系統能從任何一種乙太網協定切換到另一種乙太網協定，而無需重新設計硬體。”Roger表示。
硬核支援TSN，乙太網協定交換方案佈局工業未來
作為高性能工業信號鏈相關技術的關鍵提供商，ADI多年前就敏感捕捉到自動化客戶對高度可靠的同步網路技術的需求，例如支援汽車製造工廠多組機器人在惡劣嘈雜的條件下井然有序地協同作業的應用環境。為此，ADI在2016年果斷收購確定性乙太網半導體和軟體解決方案的領先供應商Innovasic，大力擴充公司確定性乙太網技術和專業知識，為高度同步的工業自動化網路及工業物聯網提供強大的即時連接。而彼時，IEEE正在制定全新的時間敏感型網路標準。
隨著Innovasic的整合，fido5000系列工業雙埠交換機已被納入ADI公司產品線。該交換機支援所有相關的工業乙太網協定，成為ADI支援TSN應用的最強硬核技術方案。
該SoC晶片面向工業乙太網應用的即時乙太網多協定交換機，能支援當今所有主要工業協定，利用fido5000現在就可以將產品規劃過渡至TSN並同時滿足當前需求(PROFINET IRT、EtherCAT、POWERLINK、EtherNet/IP等)。交換機靈活的架構能夠適應協定未來的變化，並且支援未來的協定及其他發展，借助fido5000還將使實現OPC UA PUB/SUB成為可能。“利用fido5000系列，使用者能夠為應對所有工業場景做好準備。” Roger指出。
即時乙太網交換晶片和處理器之間通過記憶體匯流排進行通信，以實現高性能、低延遲/低抖動的工業乙太網。記憶體匯流排還提供了採用PriorityChannel?技術的主控介面，ADI採用軟硬體協同設計開發了這一過濾技術，確保來自乙太網的關鍵資料得到及時處理，而不受協定和網路利用率的影響，因此避免了非時間關鍵型資料流程量的干擾。這意味著，來自即時通道的資料會優先于普通網路資料得到處理。
除了交換功能之外，fido5000還具有強大的計時器控制單元 (TCU)。TCU設計用於實現各種工業乙太網協定的同步機制。通過四個專用輸出或四個通用輸入/輸出，可以實現輸入捕捉等其他功能，也可以輸出任何方波信號。這些埠均直接與同步時間同相。例如，它能以64位解析度對四個輸入端中任何一處的邊沿到達加蓋時間戳記。在輸出端，任何數位信號模式都可以與網路時間同步輸出。這意味著可以將使用者的應用與網路時間同步，週期時間甚至低至不到31.25μ-s。“但fido5000的功能還不僅限於此—該晶片已經為未來做好了準備!fido5000支援時間敏感型網路。未來基於TSN的工業乙太網應用的需求將能夠滿足運動控制或安全等應用非常苛刻的即時要求。”
Roger強調道。
本文總結：TSN鋪平走向未來工業之路
作為工業現場即時通訊需求而生的底層協定，TSN提供的優勢讓IEEE乙太網技術再次與時俱進，滿足了當下許多工業自動化技術的供應商和製造商都期待獨立于製造商的開放式通信平臺從而在系統範圍內實現越來越多的自動化流程。支援TSN的交換機晶片方案為實現這個願望提供了一種平滑過渡而有效解決方案。