來源：TSNLAB 微信公眾號(hào)
在所有TSN的潛在應(yīng)用場景中，工業(yè)無疑是關(guān)注范圍最廣、討論熱度最高的一個(gè)場景。關(guān)于“TSN for Industrial Automation”這個(gè)話題的“為什么”、“是什么”和“怎么干”，也有非常多的聲音和觀點(diǎn)。筆者關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域5年了，但是也自認(rèn)無法通過一篇文章講透其中事由。當(dāng)然，我還是希望本著“盡量只講事實(shí)，以及少量的基于事實(shí)可以通過簡單推理而得到的判斷”的原則，來寫一篇軟文，僅代表個(gè)人觀點(diǎn)，供大家參考。
本文的目錄：
•WHY - 為什么需要TSN；各巨頭對(duì)TSN的態(tài)度；工業(yè)用戶對(duì)TSN的態(tài)度。
•WHAT - TSN具體用在哪里（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)層次的維度、場景維度）？
•HOW - 可能要用到TSN的哪些子技術(shù)來構(gòu)建方案？
為什么需要TSN？
簡單的回答是：傳統(tǒng)的以太、IP技術(shù)能為用戶提供低成本、大帶寬的解決方案，產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)圈成熟而開放，但不能保障網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，尤其是有界時(shí)延；當(dāng)前在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的各種工業(yè)以太協(xié)議，經(jīng)過定制化的改良，能夠提供滿足相應(yīng)要求的時(shí)延性能保障，但是帶寬相對(duì)受限，技術(shù)互通性、可擴(kuò)展性差。TSN作為由IEEE 802.1工作組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義的一系列技術(shù)集合，可以實(shí)現(xiàn)兼具上述兩者之長的網(wǎng)絡(luò)方案。
各巨頭對(duì)TSN的態(tài)度是什么呢？我們主要看西門子、羅克韋爾、倍福、貝加萊、三菱這幾家。
早在2016年，由貝加萊（B&R）和TTTech發(fā)起了一個(gè)倡議OPC UA TSN的組織，后來被稱作“Shapers”。到2018年，已經(jīng)有很多工業(yè)界的大公司加入了“Shapers”（下圖）。POWERLINK是由貝加萊主推的工業(yè)以太協(xié)議，但是由于種種原因，POWERLINK總體的市場份額十分一般，而技術(shù)上的部分優(yōu)勢特點(diǎn)也不足以顯著壓制其它競爭技術(shù)。從明面上看，貝加萊參與OPC UA和TSN相關(guān)的產(chǎn)業(yè)活動(dòng)是比較積極的。由此推測，利用OPC UA TSN實(shí)現(xiàn)對(duì)PROFINET等競爭方案的“彎道超車”，至少是貝加萊考慮過或正在考慮的戰(zhàn)略。
上面圖片中并沒有西門子（Siemens），不過2018年的漢諾威展上西門子也做了TSN的展臺(tái)。從2019年開始，在IEC IEEE 60802的TSN for 工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中，西門子的參與度一躍成為TOP1。2019年下半年發(fā)布的PROFINET v2.4支持了TSN，我們也能在各種地方看到西門子宣傳PROFINET TSN。筆者推測，西門子作為一個(gè)綜合實(shí)力全面而強(qiáng)勁的工業(yè)巨頭，是有自信和能力親自下場做好業(yè)界熱點(diǎn)技術(shù)，為用戶提供多一種的可選方案，從而也能更好的維護(hù)自己的商業(yè)利益。
羅克韋爾（Rockwell）主推的EtherNet/IP（即EIP），對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太和IP的良好兼容性一直是其宣傳點(diǎn)之一。2018年開始，羅克韋爾和思科，還有曾經(jīng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC，Industrial Internet Consortium），都參與過TSN的產(chǎn)業(yè)活動(dòng)或搭建TSN測試床。不過近兩年，筆者對(duì)北美生態(tài)圈的關(guān)注度降低，能獲取的信息也減少了。
倍福（Beckhoff）主推的EtherCAT在近幾年突飛猛進(jìn)，一方面是其“on the fly”的技術(shù)非常適合高精度運(yùn)動(dòng)控制場景，另一方面也和其商業(yè)模式有關(guān)。僅就技術(shù)而言，俗話說魚和熊掌不可兼得，EtherCAT在拓?fù)潇`活性上有劣勢，當(dāng)承載的數(shù)據(jù)量增加時(shí)，其技術(shù)優(yōu)勢也會(huì)顯著劣化。TSN剛好能解決這個(gè)問題，ETG（EtherCAT Technology Group）也發(fā)布了EtherCAT TSN白皮書，網(wǎng)上都能搜到。里面描述了把TSN網(wǎng)絡(luò)放在EtherCAT主站和從站之間的使用場景。雖然如此，筆者認(rèn)為從技術(shù)上，相比于其它工業(yè)以太技術(shù)，EtherCAT和TSN還是比較明顯的處在競爭關(guān)系上的。
三菱屬于在“做”的方面最主動(dòng)的，已經(jīng)發(fā)布了CC-Link IE TSN產(chǎn)品。
工業(yè)用戶對(duì)TSN的態(tài)度其實(shí)是更加重要的。例如（泛）制造行業(yè)的關(guān)鍵是制造，制造需要解決各種各樣的問題，而什么技術(shù)能用，并且綜合考慮成本低、效果好，那用戶就用什么技術(shù)。都說智能制造時(shí)代（或者工業(yè)4.0也好，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也好）和傳統(tǒng)制造的一大不同在于，傳統(tǒng)制造是大批量、低成本，而智能制造增加了定制化生產(chǎn)的需求。一方面，TSN的愿景是伴隨著智能制造新時(shí)代，將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)側(cè)大一統(tǒng)，同時(shí)技術(shù)上支持自動(dòng)配置、流量混合承載，看起來一定是能為用戶降本增效的。另一方面，即使用戶認(rèn)可TSN的好處，但在當(dāng)下，大多數(shù)用戶并沒有對(duì)TSN有強(qiáng)需求，或者說TSN所能帶來的好處并不足以彌補(bǔ)嘗試新技術(shù)所帶來的不確定性。作為TSN行業(yè)的從業(yè)者，深感還有很多工作要做。
TSN具體用在哪里？
從工業(yè)網(wǎng)絡(luò)層次上，首先分層沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，常用的有從上往下Level 5到Level 0的說法，也有生產(chǎn)線、生產(chǎn)模塊、生產(chǎn)單元等說法。下圖給出一種概括性的描述（來自IEC IEEE 60802 use case文檔）。
同樣在該文檔中，還有下面這樣一張圖，從上到下都有TSN域。在2018-2019年，筆者聽到比較多的聲音是，看好TSN首先用在Production Line和Production Cell層，這里主要涉及的時(shí)間敏感業(yè)務(wù)是所謂C2C（Controller-to-Controller）通信。后來，越來越多的聲音也開始討論TSN進(jìn)入最下面的Machine層，例如PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器、IO站之間的通所謂C2D（Controller-to-Device）通信。至于最上層，相對(duì)屬于IT的領(lǐng)域，也可以視情況決定是否使用TSN。從ICT廠商的視角，肯定是希望構(gòu)建以太I(xiàn)P從頂?shù)降椎墓I(yè)網(wǎng)絡(luò)，為OT用戶提供更好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，有種OT over ICT的感覺。
場景維度上，我比較推薦一種分類方法，把工業(yè)自動(dòng)化分成過程自動(dòng)化（process automation）、離散控制（discrete control）、運(yùn)動(dòng)控制（motion control），通信周期越來越短，數(shù)據(jù)量也越來越少。不同的工業(yè)垂直行業(yè)，至少都涉及這里面的一到兩種場景（比如化工行業(yè)，過程自動(dòng)化多一些；汽車、半導(dǎo)體制造等行業(yè)，離散控制和運(yùn)動(dòng)控制多一些）。TSN強(qiáng)大的技術(shù)集合的價(jià)值在這里就體現(xiàn)出來了，多種時(shí)延相關(guān)的機(jī)制可以適配不同場景下通信周期（時(shí)延）和數(shù)據(jù)量（帶寬）的差異化需求。
最后是TSN怎么用在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上。看過TSNLAB中TSN技術(shù)-資源管理那篇文章的讀者一定記得TSN方案有個(gè)重要的底層邏輯：分三步走的資源預(yù)留工作，如下圖上半部分所示。之后，就是下半部分的、使用怎樣的TSN調(diào)度方案了。現(xiàn)在普遍認(rèn)同的一種用法是，通過TSN時(shí)間門控TAS的機(jī)制，為關(guān)鍵控制流量規(guī)劃好專屬時(shí)隙；然后把剩余時(shí)隙給需要時(shí)延保障、但要求沒有那么高的流量，并且使用CBS或ATS等整形技術(shù)，即保證這些流量的時(shí)延得到滿足，又可以讓剩余的“盡力而為”轉(zhuǎn)發(fā)的流量復(fù)用剩余帶寬。這就是TSN混合承載不同流量并實(shí)現(xiàn)按需差異化服務(wù)的一個(gè)案例。如果鏈路速率比較低，或應(yīng)用對(duì)低時(shí)延的需求顯著，也可以考慮使用幀搶占技術(shù)。
目前的IEC IEEE 60802標(biāo)準(zhǔn)正在制定兩種一致性等級(jí)（Conformance Class）。等級(jí)A對(duì)設(shè)備的要求高一些，比如必須支持Qbv時(shí)間門控的能力；等級(jí)B就低一些，畢竟不是所有場景都對(duì)網(wǎng)絡(luò)有高要求。而且很多TSN特性被定義為可選（Optional）。也許有一天，TSN在人們眼中，不再是硬件成本高、技術(shù)復(fù)雜的高科技，不再給人一種“TSN很好，但我有點(diǎn)望而卻步”的感覺。使用TSN，就和使用IEEE 802.1Q中定義的VLAN、生成樹協(xié)議等一樣，如呼吸般流暢自然并且理所當(dāng)然。那時(shí)候，工業(yè)設(shè)備商、集成商、用戶紛紛擁抱TSN，才會(huì)是順理成章的事情。
注：所謂工業(yè)“七國八制”，目前應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)兩部分都是“七國八制”。TSN只能解決網(wǎng)絡(luò)的部分，比如把“PROFINET over PROFINET RT/IRT”、“CIP over Ethernet/IP（EtherNet/IP） or ControlNet or DeviceNet”、“CANopen over EtherCAT”、“CANopen over Ethernet（POWERLINK）”、“Modbus over TCP/IP/Ethernet（Modbus TCP）”等等，全部統(tǒng)一成XXX over TSN（這里也包括OPC UA over TSN）。