TZIIC002-2021时间敏感网络技术在离散工业应用的应用场景及网络需求

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中关村工业互联网产业联盟

团体标准

ZhongguancunindustrialInternetIndustry

Alliance

Groupstandard

时间敏感网络技术在离散工业应用的应用场景

及网络需求

TSNTechnologyUseCaseinFactoryAutomationand

NetworkRequirements

2021-07-01发布2021-07-01实施

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时间敏感网络技术在离散工业应用的应用场景及网络需求

1术语与定义

1.1定义

重构：

系统结构的、或者设备级内容的任何内部修改，包括任何类型的升级。参见IEC61158-类型10，动态

重构；PI/PNO提供的文档：高可用性指南。

（过程）扰动：

过程/机器的任何失灵或停顿，紧随其后的是生产损失或者是不可接受的生产质量的降级。参见：

IEC61158–失效。参见：ODVA非计划宕机。PI/PNO提供的文档：诊断指导原则。

工厂（单元）/机器的运行状态：

工厂（单元）/机器的功能和生产的正常状态。

工厂（单元）/机器的维护状态：

有计划的挂起或部分挂起工厂（单元）/机器的功能的正常状态。

工厂（单元）/机器的停止状态：

工厂（单元）/机器的完全非生产模式。

趋同网络概念：

所有的局域网设备（有线的或无线的）能够通过公共基础设施交换数据，并具有定义的QoS参数。

设备：

终端工作站，桥接终端工作站，桥，访问点。

DCS：

分布式控制系统。

传输选择算法：

用于通信选择的一组算法，包括严格的优先级，基于信用的整性器与增强传输选择。

抢占：

可被抢占的帧的传输挂起以允许在可被抢占帧传输恢复之前允许一个或多个快速帧被传输。

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调度通信的增强：

桥或终端工作站支持允许相对已知的时间尺度从每个队列被调度的传输增强。

时间敏感流：

从单个源工作站到一个或多个目标工作站的通信流，该通信对于实时传送敏感，实际上要求传输延时有

界。

TSN域：

一些公共管理的工业自动化设备；一组设备，它们的端口连接单独的使用TSN标准传输时间敏感流的

局域网，该标准包括传输选择算法，抢占，时间同步，调度通信的增强，并且它们共享公共的管理机制。

将这些设备成组化是管理的决定。

统一时间域：

用来同步统一时间的gPTP域。

工作时钟域：

用来同步工作时钟的gPTP域。

等时同步域：

具有公共设置等时同步周期实时通信类型的公共工作时钟域的工作站。

周期实时域：

具有公共设置周期实时通信类型的工作站，即使在不同的工作时钟域或者同步到本地时间尺度的。

网络周期：

包括安全边界的传输时间与包括安全边界的应用时间；对于一个TSN域值是特定的并且指定属于该

TSN域的网络接口的重复行为。

绿地：

用于本标准的上下文：绿地指的是TSN-IA行规一致性设备，而不考虑是“旧”或“新”。

棕地：

用于本标准的上下文：棕地指的是与TSN-IA行规不一致的设备，而不考虑是“旧”或“新”。

流转发：

沿着流路径包括跨TSN域边界的流数据转发。

1.2IEEE802术语

优先级再生：

见IEEE802.1Q-2018的6.9.4节，再生优先级。

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入口速率限制：

见IEEE802.1Q-2018的8.6.5节，流量分类与计量。

2工业自动化中的TSN

“信息-物理系统（Cyber-PhysicalSystem,CPS）”一词还没有一个公认的定义。EdwardA.Lee[1]在一份

报告中将CPS描述如下：“信息物理系统（CPS）是计算与物理过程的集成。嵌入式计算机和网络通信

对物理过程进行监控和控制，通常物理过程通过反馈回路影响计算，反之亦然。”

图1—工业自动化的层次结构

信息物理系统是“智能工厂”和工业4.0的基石，IEEE802LAN技术提供了操作技术控制层通过趋同网

络连接到时间关键型工业应用的机制（例如TSN功能）。

具有TSN功能的IEEE802LAN可以被用于工业自动化：

⚫信息物理系统（CPS）内部的实时通信

⚫信息物理系统之间的实时通信

一个信息物理系统（CPS）包括：

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⚫控制设备（通常为1台PLC）

⚫I/O设备（传感器，执行器）

⚫驱动器

⚫人机界面（HMI）

⚫上层接口：

PLC(作为网关)

路由器

网桥

⚫其他以太网设备：

服务器或任何其他计算机，可以是实体机或虚拟机

诊断设备

网络连接设备

2.1互操作性

互操作性可以在不同的层次上实现。图2和图3显示了需要覆盖的三个区域：

⚫网络配置（根据IEEE定义的管理对象）

⚫流配置和建立

⚫应用配置

三个区域间是相互影响的（如图2所示）。

应用配置不被期望成为行规的一部分，但其他两个区域是行规的一部分。

TSN-IA行规做出的选择涵盖了IEEE802定义的第2层和用来配置第2层的选定协议。

应用也使用上层，但是这些超出了行规的范围。

流建立是由应用初始化的，用于允许应用之间的数据交换。应用请求资源，通过网络配置、流配置和建

立来得以实现。

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图2—互操作原理

图3—工作范围

2.2TSN域

2.2.1通用

TSN域被定义为一定数量的通常可被管理的工业自动化设备；成组这些设备是管理的决定。

TSN域特性：

⚫一个或多个TSN域可以存在于单个第2层广播域中

⚫一个TSN域可以不被多个第2层广播域共享

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⚫多个TSN域可以共享一个公共的统一时间域

⚫两个相邻的TSN域可以实现相同的请求，但保持分离

⚫多个TSN域通常在一个网桥中实现（参见2.2.2.2）

⚫多个TSN域通常在一台路由器上实现（参见2.2.2.3）

⚫多个TSN域通常在一个网关中实现（参见2.2.2.4）

典型的机器/功能单元（见图1）被当作单独的TSN域。生产单元和生产线也可以设置为TSN域。设备

可以并行地成为多个TSN域的成员。

图4显示了在公共广播域和公共统一时间域内的两个示例TSN域。TSN域1是一个纯周期实时域，而

TSN域2另外还包括了三个重叠的等时同步域。

图4—不同类型的域

TSN域之间的互联在2.2.2和2.6.1中进行描述。

2.2.2TSN域的互联

2.2.2.1通用

TSN域可以通过以下方式进行连接：

⚫桥接（2层）

⚫路由（3层）

⚫应用网关（7层）

无线接入点或5G基站也可以用来连接TSN域。

2.2.2.2桥接（2层）

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当一个网桥是多个TSN域的成员时，一个网桥端口只能是一个TSN域的成员。

图5给出了一个包含两个网桥的例子，每个网桥分别是两个TSN域的成员。网桥B1在TSN域生产单

元1和TSN域机器1之间提供端口和连接，网桥B2为生产线1和生产单元1提供端口和连接。

图5—由网桥连接的三个TSN域

为了支持多个TSN域之间的连接（例如，PLCL1与PLCM1），需要指定一种在多TSN域上预留时间

敏感流的方法，包括：

⚫找到通信伙伴

⚫标识参与的TSN域

⚫标识独立于配置模型（集中式，混合式，全分布式）的参与的管理实体

⚫确保所需要的资源

⚫如果需要，参数化TSN域连接点以此来允许流转发

2.2.2.3路由（3层）

与路由器一起，可以构建内部联网和互联网。然而，在本规范中，只涉及内部联网用例。

当路由器是多个TSN域的成员时，一个路由器的接口/端口只能是一个TSN域的成员。图6给出了一

个包含两台路由器的示例，每台路由器都分别是两个TSN域的成员。路由器R1在TSN域生产单元1

和TSN域机器1中提供端口和连接，路由器R2为生产线1和生产单元1提供端口和连接。

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图6—由路由连接的三个TSN域

为了支持多个TSN域之间的连接（例如，PLCL1与PLCM1），需要指定一种在多TSN域上预留时间

敏感流的方法，包括：

⚫找到通信的伙伴

⚫标识参与的TSN域

⚫标识独立于配置模式（集中式，混合式，完全分布式）的参与的管理实体

⚫确保所需要的资源

⚫如果需要，参数化TSN域连接点以此来允许流转发

2.2.2.4应用网关（7层）

当一个应用网关是多个TSN域的成员时，一个网关的接口/端口只能是一个TSN域的成员。

图7给出了一个包含两个应用网关的例子：

⚫网关CM1是TSN域生产单元1和机器1的成员

⚫网关CF1是TSN域生产单元1和现场总线1的成员

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图7—由网关连接的两个TSN域与接入的现场总线

应用层网关不提供不同TSN域设备之间的直接访问，而是作为TSN域出口和入口通信的终端。

可以在应用层网关中实现控制和数据的专用转换应用以访问相邻的TSN域，从而实现TSN域互连。

这种转换可能涉及数据和控制的缓冲、收集与重排。因此，应用层网关将TSN域解耦，以至于相邻

TSN域的内部结构和配置是分别不可见的。

应用层网关还将用于基于非以太网或以太网的现场总线连接到TSN域（请参见图7中的网关CF1，另

请参见用例11：现场总线网关）。

3工业自动化机器、生产单元、生产线

3.1用例1：机器到机器/控制器到控制器(M2M/C2C)通信

预配置的机器具有自己的TSN域，包括经过测试和批准的内部通信，与具有自己的TSN域、生产单元

的监控PLC(具有自己的TSN域)或生产线(具有自己的TSN域)或操作控制人机界面(具有自己的TSN

域)的其他预配置机器进行通信。

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图8—TSN域之间的M2M/C2C

图8显示，当控制器使用单个接口与单元、产线、工厂或其他机器的控制器进行M2M通信时，会出现

多个逻辑重叠的TSN域。通过为M2M通信采用单独的控制器接口，可以完成机器内部TSN域的解耦。

机器1：连接控制器与单元的网桥B1同时也是机器1、生产单元1、生产线和工厂的TSN域的成员。

机器2：连接控制器与单元的网桥B2同时也是机器2、生产单元1和工厂的TSN域的成员。

机器3：控制器直接连接到生产单元2的可编程逻辑控制器，因此也是生产单元2的TSN域的成员。

机器内部的TSN域通过单独的接口与M2M通信解耦。

机器4：连接控制器与单元的网桥B3同时也是生产单元2和工厂的TSN域的成员。机器内部的TSN

域通过单独的接口与M2M通信解耦。

示例：

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图9—具有监控PLC的M2M

图9给出了一个M2M与监控可编程逻辑控制器通信的例子。

图10显示了四台机器之间的M2M通信关系的示例。

具有单个接口的可编程逻辑控制器导致M2M和机器内部通信的通信路径重叠。在这种情况下，由于两

个逻辑上重叠的TSN域，两个TSN域(机器/生产单元)需要共享资源。

有相当多的约束与机器内部网络有关。每台机器可能运行不同的调度，甚至时间间隔也可能不同。从传

感器到执行器到单元控制，可能非常复杂，甚至不可能找到最优的通信调度。级联控制回路需要要求低

级控制回路具有更快的时间间隔。嵌入在一个单元时间间隔中的多个机器时间间隔可以映射到一系列

时间间隔上。机器和单元控制器之间数据交换的每一步都可以映射到机器时间间隔：

⚫出站单元通信

⚫在机器网络内传输出站

⚫在机器网络内传输入站

⚫入站单元通信

此外，图54显示了使用M2M通信连接电脑进行诊断/监控的示例

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图10—具有四台机器的M2M

图11—具有诊断/监视PC的M2M

图11显示了一个与M2M诊断相关的用例：通信是周期的并应该在短的应用周期时间内发生。这个用

例的一个例子是在主-从应用中验证从驱动器的正确行为。今天，这个用例是通过将一个普通的个人电

脑连接到从驱动器的一个接口上来实现的。现在，不同TSN机制可以在系统网络的任何地方连接这样

的个人计算机网络接口卡，并且仍然可以收集与当前直接连接同样确保相同的诊断。

要求确保的是：每隔4毫秒，从驱动器发送一个帧，并保证将其传送到用于执行诊断的计算机的网络接

口。当然，必须实现这种帧的本地个人计算机级处理，以便诊断应用获得所需的服务质量

从通信的角度看，图53所示的两种机器接口是相同的。PLC表示机器接口，并使用专用（机器1和4）

或共享接口（机器2和3）与其他机器和/或监控PLC通信。

机器之间的通信关系可以包括也可以不包括或使用监控PLC。

要求：

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⚫所有机器内部通信（流通信和非流通信）与保护附加的M2M通信要解耦，反之亦然

⚫1:1和1:多的通信关系是可能的

⚫与机器时间间隔交错运行的方式进行调度是可能的

使用的802机制：

⚫IEEE标准802.1Q-2018，固定优先级，IEEE标准802.3br

⚫优先级再生

⚫基于队列的资源分配

⚫VLAN来分隔TSN域

3.2用例2：直通通信

机器制造商以经测试和批准的质量向生产单元/生产线制造商提供机器。在特定的边界端口，可以将标

准设备（如条形码阅读器）连接到机器上。通过测试/批准的机器支持非流通信（“直通通信”），而不影

响机器的运行行为，例如打印机或条形码阅读器的连接。图12、图13和图14给出了工业自动化中的

直通通信安装的一些示例

图12—直通一台机器

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图13—直通一台机器与生产单元

图14—直通两台机器

图15—具有诊断/监视PC的机器

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要求：

⚫所有机器内部通信（流通信和非流通信）与保护附加的“直通”通信要解耦

⚫“直通”交通被视为单独的通信模式

使用的802.1Q机制：

⚫优先级再生

⚫单独的“直通通信队列”

⚫所有网桥中基于队列的资源分配

⚫入口速率限制

3.3用例3：模块化机器组装

在这种情况下，机器是由多个不同模块的可变组装。机器的有效组装取决于当前生产阶段，例如面包机

包括的模块：基本模块、“Kaisemsmel”带式皮带轮模块、“Rosensemmel”玫瑰面包模块、芝麻铸机、

罂粟籽铸机、烘箱或新闻的广告发送器。

图16可能有轻松的延迟需求，但是图17中的机器需要以非常高的速度工作，因此具有非常苛刻的延迟

需求。

图16—模块化的面包机

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图17—模块化的广告送料机

要求：

⚫模块可根据需要（一天中多次）在现场（运行、停止或断电模式）可变地组装到工作机器上。

这台机器生产选定不同品种的产品。模块插入后，无需管理/配置交互依靠TSN功能的通信将

自动建立

3.4用例4：工具更换

工具（例如不同的机器人手臂）处于断电模式。在生产过程中，机器人会根据不同的生产步骤更换手臂。

它们通过机械方式与机器人手臂相连，然后通电。达到运行的时间影响机器人的效率，因此影响工厂的

生产能力。机器人可以共用一个工具池。因此，在不同的生产步骤中，“工具”与不同的机器人相连。

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图18—工具更换

要求：

⚫网络的新增部分需要在不到500毫秒内启动并运行（通电到运行）。

⚫扩展和删除正在运行的网络部分（最多16个设备）

一个连接点（一个机器人使用一个工具）

通过多个连接点（多个机器人使用一个工具）

使用的802.1Q机制：

⚫预配置的流

⚫…

3.5用例5：机器的动态拔插（子网）

例如，多个AGV（自动导引车辆）访问不同的停靠站以访问监控PLC。因此，AGV暂时不可用。AGV

可以充当CPS或一组设备。

图19—AGV的插入与拔出

要求：

⚫在插拔事件之后，自动建立/删除来自/到AGVs的依赖于TSN特征的通信

⚫不同的AGV可能需要不同的通信布局

⚫到运行的时间影响工厂的效率

⚫可以同时使用数千个AGV，但在给定的时间内只能连接一定数量的AGV

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使用用的802.1Q机制：

⚫预配置流

⚫…

3.6用例6：能源节省

根据需要关闭或打开整个或部分工厂部件以节约能源。因此，工厂的有些部件暂时不可用。

图20—能量节约

要求：

⚫能源节省区关闭/开启不应造成过程扰动

⚫应避免通过不属于节能区的跨能源节省区的终端间通信路径

使用的802.1Q机制：

⚫通过对流进行排序，以避免流通过节能区，从而进行适当的路径计算

3.7用例7：增加机器、生产单元或生产线

当产能耗尽时，将购买更多的机器、生产单元甚至生产线，并将其集成到工厂中。

例如在生产单元中增加一个焊接机器人，以提高生产能力。附加机器必须集成到生产单元控制中，且对

生产单元过程的干扰最小。

另一方面是，当机器或一组机器在与其他机器组合使用之前，或与监控系统结合使用前，首先在独立模

式下进行测试。

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需要一个灵活的单元通信来支持这一点。启用和禁用机器内的单元通信应该是可能的，对生产的影响最

小。

图21—增加机器

要求：

⚫添加和移除机器/单元/生产线不得干扰现有装置

使用的机制：

⚫…

3.8用例8：使用TSN-IA行规的一个装置中的多个应用

技术A和B在PLC和设备中实现。

图22—两个应用

要求：

⚫应支持具有使用TSN通信类型的多个应用的站点

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