馬鋒：摩莎（Moxa）科技的工業互聯網實踐與TSN技術探索丨工業互聯網“咖”解
作者：
馬鋒
摩莎科技（上海）有限公司公司智能制造市場總監、工業互聯網產業聯盟理事
榮海生
摩莎科技上海有限公司 智能制造專案主任
感謝工業互聯網產業聯盟（以下簡稱“聯盟、AII”）提供的這個平臺，聯盟成立五年來，認識了很多朋友，也與眾多大咖學習到了很多的知識。工業互聯網的發展從提出到全面開花，離不開中央的領導、聯盟的引領和各位會員的努力。在聯盟的引導下，工業互聯網百花齊放，從基礎網絡到云端應用，從標識解析到AI應用在各方面蓬勃發展。聯盟為大家提供了一個非常好的交流平臺，聯盟各工作組輸出的成果非常實用含金量很高，聯盟組織的活動非常豐富效果很好，與會的各位專家也不吝分享著工業互聯網最前沿的思想，碰撞出智慧的火花。摩莎（Moxa）公司作為理事成員單位，一直陪伴著聯盟的成長。幾年來一直積極參與聯盟的各項活動，從全會到工業互聯網大會，一直緊跟聯盟步伐，實踐工業互聯網。同時摩莎（Moxa）公司一直秉持穩定可靠是工業通信的基礎這個理念，持續提供工業企業現場設備通信領域的服務，截至2020年底已經為超過數百個國內智能制造試點/標桿企業提供了廠內工業網絡規劃服務與產品，并獲得了一致好評。項目涵蓋重工、輕工等多個行業，協助手機零件生產商解決了訂單季節性變化導致的產能擴張與收縮問題，也協助四川老牌電子企業完成了具有多元信息下發及生產采控一體化要求的工業支撐網絡建設。在工業互聯網實踐中，摩莎（Moxa）尤其重視工廠工業控制網絡穩定可靠的特性，并承諾提供5年質保服務，協助工業企業客戶解決了許多現場通信難題，從工業現場的PLC通信到 MES/WMS系統通信,摩莎（Moxa）產品的高可用率得到了客戶的一致認可。
在企業應用平臺建設項目中頂層規劃非常重要，若頂層規劃沒有做好，基礎設施不夠扎實，網絡時斷時續會導致平臺的數據不準確，或接收到錯誤的數據，會給我們決策帶來非常多的困擾。有些甚至會在1~2年后推翻以前的基礎設施方案重新進行建設，重復投資導致嚴重的浪費。摩莎（Moxa）從工廠實際出發，以穩定可靠為第一衡量指標，從頂層架構開始進行規劃，為客戶提供廠內工業控制網絡的安全穩定可靠的工業控制網絡解決方案。在做整廠的網絡規劃時，我們關注工業控制網絡與PLC協議的兼容性，讓PLC協議可以流暢通信，在網絡拓撲方面我們更加注重穩定性與可靠性，規劃的環網路徑邏輯清晰，施工簡單，維護查線方便，一旦線路出現問題也可以在20毫秒內恢復通信，為維護人員爭取寶貴的維修時間。
我們都知道，作為基礎設施的一部分，需要長年累月的提供服務，而對于電子產品來說這是不現實的，為什么商用電子設備保修時間是1~2年？就是因為有太多干擾因素讓設備極易損壞，例如我們身上帶的靜電、設備啟動和停止時所產生的異常電流電壓，其實電子零件在承受超過15VDC的電壓時就會有損壞的可能，有些當時還看不出來，還可以承受一定的時間，當異常電信號長時間地沖擊電子零件就會讓設備的使用壽命大大縮短。同時我們按照摩爾定律思考一下，電子設備的更新換代是非常快的，一到兩年后損壞的電子設備就算想找原廠修復，廠商也可能買不到原先設計時匹配良好的零件來進行修理，只能用當前市面上規格一樣的零件做替換，這樣就又增加了兼容性風險。如果不愿意承擔這樣的風險，只能更換一臺機器。還有在工業現場更換機器其實也是非常麻煩的。首先要預約維修的時間，生產線停止運行、工人下班后才可以進行更換。一般情況下更換的時間也只有半小時到一小時。這樣對維護人員的操作熟練度也會非常有考驗。摩莎（Moxa）公司的產品就避免了這些問題,在做設備設計時就融入30多年工業現場通信經驗，研發出無風扇、高可用、EMC抗擾度良好，平均無故障時間（MTBF）長的產品，讓客戶可以安心放心。
在為廣大企業提供穩定可靠的產品與服務時，我們也投入了對前沿通信技術時間敏感網絡（TSN）的研發，摩莎于2020年7月30日發布了工業級TSN交換機，并且參與了4個全球最具影響力的機構主辦的TSN測試項目，包含美國工業互聯網聯盟(IIC)、德國Labs Network Industrie 4.0(LNI4.0)、邊緣計算產業聯盟(ECC)、工業互聯網產業聯盟（AII）TSN互聯互通測試以及白皮書的編寫工作，為聯盟的發展貢獻自己的力量。
TSN (Time-Sensitive Networking)就是時間敏感網絡的直譯，它最初來源于視頻/音頻領域的應用需求。因為視頻和音頻在網絡上傳輸時會分為視頻流和音頻流分別進行傳送，兩個數據流在到達接收方的時候，可能會有音頻和視頻不同步，因此就誕生了AVB音頻視頻橋接任務組。在2012年AVB任務組擴大了時間確定性以太網的應用需求和適用范圍，并同時將任務組名稱改為現在的TSN任務組。TSN技術是以以太網為基礎的新一代網絡標準，具有時間同步功能，低時延等確定性網絡的功能。
可能有人會簡單地認為這是一個新的網絡傳輸技術，但實際上這會給我們常用的以太網絡帶來一個革命性的變化。會改變我們一直使用了50多年的以太網標準，那就是確定性網絡。
在非確定性網絡中，就是傳統的以太網技術是一個“盡力而為”的技術，這種傳輸標準是無法保證數據的正確傳輸的，只能做到“盡力而為”。例如帶寬從下圖可以看到，在一條電纜上傳輸的情形。
如果在一條電纜上傳輸信號有沖突怎么辦？以太網的處理機制如下：
簡單解釋就是有沖突的就丟棄掉，讓發送端重發，這樣就造成了帶寬浪費，數據承載力下降等問題。傳統的以太網聯網技術通常包括集線器、交換機、路由器等，它們都使用“盡力而為”的方式來傳輸數據包，在大多數情況下網絡可以按照順序一個個地傳輸數據包，但成功的概率并不能得到保證，在數據少的時候可以得到預期的結果，數據多的時候就會有問題。這種“盡力而為”的網絡對于網頁瀏覽的普通應用來說已經足夠了，一般情況下大概等上幾秒鐘，我們也不會覺得有什么問題。但對工業控制應用還無法達到要求，工業級的控制應用需要更高的可用性、零丟包以及更低延遲的特性。如果不能保證關鍵數據包成功送達，就可能出現問題。盡管“盡力而為”模式下的以太網網絡，能夠提供比傳統現場總線更高的帶寬，但它并不適合要求高精度高可用的工業控制系統。數據包都是統一排隊，但在隊列過多的時候，就會有數據丟失。就像高速公路堵車一樣，大家都堵在一條路上，誰也無法前進，如果這時候有需要緊急通行的數據包，但是由于路已經完全堵死，這個數據包同樣也無法發出。
與“盡力而為”的網絡不同的確定性網絡提供了準時、必達二個最主要的特點外還有以下幾個特征。
來源：Moxa時間敏感網絡（TSN）如何推進工業自動化的變革.pdf
首先第1個是時間同步，網絡上所有的設備使用統一時間之后，大家的控制動作就會更加準時，不會有誤差出現。第2個要有資源預留，當我們保障重要的應用可以獲得需要的資源時，才能夠保障應該執行的動作可以確定執行。第3個是極低的丟包率，TSN的技術并不是不會發生丟包，它丟掉的是一些不重要的、背景流量數據包，重要的數據是會在固定可預期的時間準確送達的，第3點是保證端對端傳送的帶寬和低延時，因為對固定的數據提供了特有的傳輸通道，也對他們的傳輸時間做了精準的分配，因此可以保障重要的數據在關鍵時刻送達。
TSN不是一個網絡協議它是一組協議，總體上分為4個部分。
第1個就是同步，包括對時和時間同步機制。第2個是低延時，在802.1Q系列標準中擴充了整形器、幀搶占、流量調度、異步流量整形等。在一條線纜上面傳輸高低電平的不同信號，那么誰先傳誰后傳，TSN就需要進行預先的安排，這時候的流量整形、幀搶占以及流量調度就起了非常重要的作用。第3個在可靠性保障方面TSN提供了幀復制和消除機制、路徑控制和預留、流量過濾和管理等。針對可靠性通信保障，TSN先天就支持多條路徑進行數據傳輸。并且使用的傳輸路徑不是同一條路徑，因此接收方會收到兩條數據并進行對比，使用傳輸正確的數據幀進行運算。這時候可靠性的幀消除和復制協議就體現了它的作用。面對這么多協議如何來使用呢？第4個方面就提供了管理功能，有流預留協議、TSN配置、基本的YANG協議以及資源分配協議等等，讓我們可以更好的使用TSN。
對于底層硬件來說，由于TSN是對整體傳輸方式的變革，硬件芯片也會發生改變，也就是說物理層與數據鏈路層都會改變。摩莎（Moxa）科技作為OPC基金會現場級通訊（FLC）指導委員會的創始成員之一，全力支持將TSN等OPC統一架構擴展到現場級的倡議。
鑒于TSN技術標準確定的時間不長，有一些廠家技術還未跟上，TSN的成本還有些偏高。同時要想營造整個TSN網絡的大環境，需要控制器廠商的TSN設備，需要通信廠商的TSN交換機、路由器，也需要服務器廠商提供支持TSN的服務器。形成整體效應后，才可以推動整個產業向前發展。我們也歡迎有實力有預見性的企業和我們一起在TSN技術發展的道路上共同探索，共同前進。
除了TSN技術之外，摩莎（Moxa）還投入力量在工業通信領域的5G應用研究上，目前在和國內知名企業共同研究工業現場的5G通信技術。同時在AI應用方面，摩莎（Moxa）公司也有諸多實踐，當前已經在影像識別領域完成了產品標簽AI檢測應用，在聲音識別領域完成了紡機斷線提前預判的應用，在智能生產方面進行了摩莎（Moxa）智能工廠的物流路徑優化，品質控制以減少浪費，并依據AI算法修改標準作業流程（SOP）提升工作效率，利用高級排產協助管理人員合理安排人工與機器開動，努力加速企業的數字化轉型進程。
在聯盟的指引下，摩莎科技以自身特長和經驗為依據，為制造型企業的數字化轉型、智能化工廠建設提供更加安全穩定可靠的工業網絡，與社會各界一起為工業互聯網產業的發展添磚加瓦貢獻力量。
作者簡介
馬鋒
摩莎科技智能制造行業總監，擁有超過13年的工業通訊行業開拓經驗，曾先后開發及耕耘高速公路、水處理、冶金、礦業、機場、管廊及半導體等多個垂直行業和市場，擁有豐富的工業通訊的專業知識及管理經驗。
作者簡介
榮海生
摩莎科技智能制造經理，Moxa資深通信技術專家，投身工控領域的通信技術研究工作超過20年，曾參與了四川長虹智能制造基地等多個智能制造項目。現負責智能工廠與工業通信相關的研究和項目咨詢等。
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