工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解丨馬鋒：摩莎（Moxa）科技的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與TSN技術(shù)探索
作者：馬鋒 摩莎科技（上海）有限公司公司智能制造市場(chǎng)總監(jiān)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事
榮海生 摩莎科技上海有限公司 智能制造專案主任
感謝工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（以下簡(jiǎn)稱“聯(lián)盟、AII”）提供的這個(gè)平臺(tái)，聯(lián)盟成立五年來(lái)，認(rèn)識(shí)了很多朋友，也與眾多大咖學(xué)習(xí)到了很多的知識(shí)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從提出到全面開(kāi)花，離不開(kāi)中央的領(lǐng)導(dǎo)、聯(lián)盟的引領(lǐng)和各位會(huì)員的努力。在聯(lián)盟的引導(dǎo)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)百花齊放，從基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)到云端應(yīng)用，從標(biāo)識(shí)解析到AI應(yīng)用在各方面蓬勃發(fā)展。聯(lián)盟為大家提供了一個(gè)非常好的交流平臺(tái)，聯(lián)盟各工作組輸出的成果非常實(shí)用含金量很高，聯(lián)盟組織的活動(dòng)非常豐富效果很好，與會(huì)的各位專家也不吝分享著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最前沿的思想，碰撞出智慧的火花。摩莎（Moxa）公司作為理事成員單位，一直陪伴著聯(lián)盟的成長(zhǎng)。幾年來(lái)一直積極參與聯(lián)盟的各項(xiàng)活動(dòng)，從全會(huì)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)，一直緊跟聯(lián)盟步伐，實(shí)踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)摩莎（Moxa）公司一直秉持穩(wěn)定可靠是工業(yè)通信的基礎(chǔ)這個(gè)理念，持續(xù)提供工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信領(lǐng)域的服務(wù)，截至2020年底已經(jīng)為超過(guò)數(shù)百個(gè)國(guó)內(nèi)智能制造試點(diǎn)/標(biāo)桿企業(yè)提供了廠內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃服務(wù)與產(chǎn)品，并獲得了一致好評(píng)。項(xiàng)目涵蓋重工、輕工等多個(gè)行業(yè)，協(xié)助手機(jī)零件生產(chǎn)商解決了訂單季節(jié)性變化導(dǎo)致的產(chǎn)能擴(kuò)張與收縮問(wèn)題，也協(xié)助四川老牌電子企業(yè)完成了具有多元信息下發(fā)及生產(chǎn)采控一體化要求的工業(yè)支撐網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐中，摩莎（Moxa）尤其重視工廠工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠的特性，并承諾提供5年質(zhì)保服務(wù)，協(xié)助工業(yè)企業(yè)客戶解決了許多現(xiàn)場(chǎng)通信難題，從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的PLC通信到 MES/WMS系統(tǒng)通信,摩莎（Moxa）產(chǎn)品的高可用率得到了客戶的一致認(rèn)可。
在企業(yè)應(yīng)用平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目中頂層規(guī)劃非常重要，若頂層規(guī)劃沒(méi)有做好，基礎(chǔ)設(shè)施不夠扎實(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)斷時(shí)續(xù)會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，或接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，會(huì)給我們決策帶來(lái)非常多的困擾。有些甚至?xí)?~2年后推翻以前的基礎(chǔ)設(shè)施方案重新進(jìn)行建設(shè)，重復(fù)投資導(dǎo)致嚴(yán)重的浪費(fèi)。摩莎（Moxa）從工廠實(shí)際出發(fā)，以穩(wěn)定可靠為第一衡量指標(biāo)，從頂層架構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行規(guī)劃，為客戶提供廠內(nèi)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)解決方案。在做整廠的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，我們關(guān)注工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與PLC協(xié)議的兼容性，讓PLC協(xié)議可以流暢通信，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫嫖覀兏幼⒅胤€(wěn)定性與可靠性，規(guī)劃的環(huán)網(wǎng)路徑邏輯清晰，施工簡(jiǎn)單，維護(hù)查線方便，一旦線路出現(xiàn)問(wèn)題也可以在20毫秒內(nèi)恢復(fù)通信，為維護(hù)人員爭(zhēng)取寶貴的維修時(shí)間。
我們都知道，作為基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，需要長(zhǎng)年累月的提供服務(wù)，而對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)這是不現(xiàn)實(shí)的，為什么商用電子設(shè)備保修時(shí)間是1~2年？就是因?yàn)橛刑喔蓴_因素讓設(shè)備極易損壞，例如我們身上帶的靜電、設(shè)備啟動(dòng)和停止時(shí)所產(chǎn)生的異常電流電壓，其實(shí)電子零件在承受超過(guò)15VDC的電壓時(shí)就會(huì)有損壞的可能，有些當(dāng)時(shí)還看不出來(lái)，還可以承受一定的時(shí)間，當(dāng)異常電信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間地沖擊電子零件就會(huì)讓設(shè)備的使用壽命大大縮短。同時(shí)我們按照摩爾定律思考一下，電子設(shè)備的更新?lián)Q代是非常快的，一到兩年后損壞的電子設(shè)備就算想找原廠修復(fù)，廠商也可能買(mǎi)不到原先設(shè)計(jì)時(shí)匹配良好的零件來(lái)進(jìn)行修理，只能用當(dāng)前市面上規(guī)格一樣的零件做替換，這樣就又增加了兼容性風(fēng)險(xiǎn)。如果不愿意承擔(dān)這樣的風(fēng)險(xiǎn)，只能更換一臺(tái)機(jī)器。還有在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)更換機(jī)器其實(shí)也是非常麻煩的。首先要預(yù)約維修的時(shí)間，生產(chǎn)線停止運(yùn)行、工人下班后才可以進(jìn)行更換。一般情況下更換的時(shí)間也只有半小時(shí)到一小時(shí)。這樣對(duì)維護(hù)人員的操作熟練度也會(huì)非常有考驗(yàn)。摩莎（Moxa）公司的產(chǎn)品就避免了這些問(wèn)題,在做設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就融入30多年工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出無(wú)風(fēng)扇、高可用、EMC抗擾度良好，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）長(zhǎng)的產(chǎn)品，讓客戶可以安心放心。
在為廣大企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品與服務(wù)時(shí)，我們也投入了對(duì)前沿通信技術(shù)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的研發(fā)，摩莎于2020年7月30日發(fā)布了工業(yè)級(jí)TSN交換機(jī)，并且參與了4個(gè)全球最具影響力的機(jī)構(gòu)主辦的TSN測(cè)試項(xiàng)目，包含美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)、德國(guó)Labs Network Industrie 4.0(LNI4.0)、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）TSN互聯(lián)互通測(cè)試以及白皮書(shū)的編寫(xiě)工作，為聯(lián)盟的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。
TSN (Time-Sensitive Networking)就是時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的直譯，它最初來(lái)源于視頻/音頻領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因?yàn)橐曨l和音頻在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)會(huì)分為視頻流和音頻流分別進(jìn)行傳送，兩個(gè)數(shù)據(jù)流在到達(dá)接收方的時(shí)候，可能會(huì)有音頻和視頻不同步，因此就誕生了AVB音頻視頻橋接任務(wù)組。在2012年AVB任務(wù)組擴(kuò)大了時(shí)間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時(shí)將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。TSN技術(shù)是以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，具有時(shí)間同步功能，低時(shí)延等確定性網(wǎng)絡(luò)的功能。
可能有人會(huì)簡(jiǎn)單地認(rèn)為這是一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，但實(shí)際上這會(huì)給我們常用的以太網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一個(gè)革命性的變化。會(huì)改變我們一直使用了50多年的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，那就是確定性網(wǎng)絡(luò)。
在非確定性網(wǎng)絡(luò)中，就是傳統(tǒng)的以太網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)“盡力而為”的技術(shù)，這種傳輸標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)法保證數(shù)據(jù)的正確傳輸?shù)模荒茏龅健氨M力而為”。例如帶寬從下圖可以看到，在一條電纜上傳輸?shù)那樾巍?/p>
如果在一條電纜上傳輸信號(hào)有沖突怎么辦？以太網(wǎng)的處理機(jī)制如下：
簡(jiǎn)單解釋就是有沖突的就丟棄掉，讓發(fā)送端重發(fā)，這樣就造成了帶寬浪費(fèi)，數(shù)據(jù)承載力下降等問(wèn)題。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常包括集線器、交換機(jī)、路由器等，它們都使用“盡力而為”的方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)包，在大多數(shù)情況下網(wǎng)絡(luò)可以按照順序一個(gè)個(gè)地傳輸數(shù)據(jù)包，但成功的概率并不能得到保證，在數(shù)據(jù)少的時(shí)候可以得到預(yù)期的結(jié)果，數(shù)據(jù)多的時(shí)候就會(huì)有問(wèn)題。這種“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)對(duì)于網(wǎng)頁(yè)瀏覽的普通應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了，一般情況下大概等上幾秒鐘，我們也不會(huì)覺(jué)得有什么問(wèn)題。但對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用還無(wú)法達(dá)到要求，工業(yè)級(jí)的控制應(yīng)用需要更高的可用性、零丟包以及更低延遲的特性。如果不能保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)包成功送達(dá)，就可能出現(xiàn)問(wèn)題。盡管“盡力而為”模式下的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，能夠提供比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線更高的帶寬，但它并不適合要求高精度高可用的工業(yè)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包都是統(tǒng)一排隊(duì)，但在隊(duì)列過(guò)多的時(shí)候，就會(huì)有數(shù)據(jù)丟失。就像高速公路堵車一樣，大家都堵在一條路上，誰(shuí)也無(wú)法前進(jìn)，如果這時(shí)候有需要緊急通行的數(shù)據(jù)包，但是由于路已經(jīng)完全堵死，這個(gè)數(shù)據(jù)包同樣也無(wú)法發(fā)出。
與“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)不同的確定性網(wǎng)絡(luò)提供了準(zhǔn)時(shí)、必達(dá)二個(gè)最主要的特點(diǎn)外還有以下幾個(gè)特征。
首先第1個(gè)是時(shí)間同步，網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備使用統(tǒng)一時(shí)間之后，大家的控制動(dòng)作就會(huì)更加準(zhǔn)時(shí)，不會(huì)有誤差出現(xiàn)。第2個(gè)要有資源預(yù)留，當(dāng)我們保障重要的應(yīng)用可以獲得需要的資源時(shí)，才能夠保障應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作可以確定執(zhí)行。第3個(gè)是極低的丟包率，TSN的技術(shù)并不是不會(huì)發(fā)生丟包，它丟掉的是一些不重要的、背景流量數(shù)據(jù)包，重要的數(shù)據(jù)是會(huì)在固定可預(yù)期的時(shí)間準(zhǔn)確送達(dá)的，第3點(diǎn)是保證端對(duì)端傳送的帶寬和低延時(shí)，因?yàn)閷?duì)固定的數(shù)據(jù)提供了特有的傳輸通道，也對(duì)他們的傳輸時(shí)間做了精準(zhǔn)的分配，因此可以保障重要的數(shù)據(jù)在關(guān)鍵時(shí)刻送達(dá)。
TSN不是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議它是一組協(xié)議，總體上分為4個(gè)部分。
第1個(gè)就是同步，包括對(duì)時(shí)和時(shí)間同步機(jī)制。第2個(gè)是低延時(shí)，在802.1Q系列標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)充了整形器、幀搶占、流量調(diào)度、異步流量整形等。在一條線纜上面?zhèn)鬏敻叩碗娖降牟煌盘?hào)，那么誰(shuí)先傳誰(shuí)后傳，TSN就需要進(jìn)行預(yù)先的安排，這時(shí)候的流量整形、幀搶占以及流量調(diào)度就起了非常重要的作用。第3個(gè)在可靠性保障方面TSN提供了幀復(fù)制和消除機(jī)制、路徑控制和預(yù)留、流量過(guò)濾和管理等。針對(duì)可靠性通信保障，TSN先天就支持多條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。并且使用的傳輸路徑不是同一條路徑，因此接收方會(huì)收到兩條數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比，使用傳輸正確的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行運(yùn)算。這時(shí)候可靠性的幀消除和復(fù)制協(xié)議就體現(xiàn)了它的作用。面對(duì)這么多協(xié)議如何來(lái)使用呢？第4個(gè)方面就提供了管理功能，有流預(yù)留協(xié)議、TSN配置、基本的YANG協(xié)議以及資源分配協(xié)議等等，讓我們可以更好的使用TSN。
對(duì)于底層硬件來(lái)說(shuō)，由于TSN是對(duì)整體傳輸方式的變革，硬件芯片也會(huì)發(fā)生改變，也就是說(shuō)物理層與數(shù)據(jù)鏈路層都會(huì)改變。摩莎（Moxa）科技作為OPC基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊（FLC）指導(dǎo)委員會(huì)的創(chuàng)始成員之一，全力支持將TSN等OPC統(tǒng)一架構(gòu)擴(kuò)展到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的倡議。
鑒于TSN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定的時(shí)間不長(zhǎng)，有一些廠家技術(shù)還未跟上，TSN的成本還有些偏高。同時(shí)要想營(yíng)造整個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)的大環(huán)境，需要控制器廠商的TSN設(shè)備，需要通信廠商的TSN交換機(jī)、路由器，也需要服務(wù)器廠商提供支持TSN的服務(wù)器。形成整體效應(yīng)后，才可以推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展。我們也歡迎有實(shí)力有預(yù)見(jiàn)性的企業(yè)和我們一起在TSN技術(shù)發(fā)展的道路上共同探索，共同前進(jìn)。
除了TSN技術(shù)之外，摩莎（Moxa）還投入力量在工業(yè)通信領(lǐng)域的5G應(yīng)用研究上，目前在和國(guó)內(nèi)知名企業(yè)共同研究工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的5G通信技術(shù)。同時(shí)在AI應(yīng)用方面，摩莎（Moxa）公司也有諸多實(shí)踐，當(dāng)前已經(jīng)在影像識(shí)別領(lǐng)域完成了產(chǎn)品標(biāo)簽AI檢測(cè)應(yīng)用，在聲音識(shí)別領(lǐng)域完成了紡機(jī)斷線提前預(yù)判的應(yīng)用，在智能生產(chǎn)方面進(jìn)行了摩莎（Moxa）智能工廠的物流路徑優(yōu)化，品質(zhì)控制以減少浪費(fèi)，并依據(jù)AI算法修改標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程（SOP）提升工作效率，利用高級(jí)排產(chǎn)協(xié)助管理人員合理安排人工與機(jī)器開(kāi)動(dòng)，努力加速企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。
在聯(lián)盟的指引下，摩莎科技以自身特長(zhǎng)和經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，為制造型企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化工廠建設(shè)提供更加安全穩(wěn)定可靠的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，與社會(huì)各界一起為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦貢獻(xiàn)力量。
AII微信公眾號(hào)
AII頭條號(hào)