《工业自动化时间敏感网络应用行规》征求意见
- 2023/9/7 9:01:58 16564
- 来源：仪表网
【仪表网 行业标准】近日，由机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 、中国科学院沈阳自动化研究所 、之江实验室 、华为技术有限公司等单位起草，TC124(全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会)归口的国家标准计划《工业自动化时间敏感网络应用行规》征求意见稿已编制完成，现公开征求意见。
当前世界各国都在大力发展智能制造技术，工业通信技术是主要解决工业现场“信息孤岛”的重要途经，在传统制造业向网络化、智能化的技术升级转型中成为重要的核心技术。
随着工业智能应用的发展，又产生了新的工业大数据的传输需求，如视觉检测使得现场数据采集从一维感知到多维全景感知发展，数据呈现结构化与非结构化特性并存，实时数据与非实时工业大数据共存等新的特点，这对工业通信技术也提出了更高的要求。
时间敏感网络(TSN)是以工业以太网为基础的新一代通信技术标准，具有时间同步、延时保证等确保传输实时性的功能。它是在 IEEE802.1 标准框架下，基于特定应用需求制定的一组“子标准”，旨在为以太网协议建立通用的时间敏感机制，以确保网络数据传输的时间确定性。
国际上，TSN 技术最先由 IEEE 组织提出，适用于音视频传输、车联网、公共设施等多个领域。IEC/TC65(工业测量控制和自动化标委会)负责制定 TSN在工业自动化领域应用规范。然而由于该标准制定较为迟缓，预计还需3-5年才能完成该标准，导致市场上没有统一的技术规范，极大地限制了该技术的应用，产品开发存在大量的不一致问题。因此，迫切需要尽快制定针对工业应用的时间敏感网络协议使用规范。
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件给出了用于工业自动化的时间敏感网络行规。本行规通过选择特性、选项、配置、默认值、协议、网桥规程、终端设备和LAN来构建工业自动化网络。
本行规通过定义通用的标准化网络基础设施，来达成融合运营技术(OT)和信息技术(IT)网络的工业自动化市场目标。这一目标是通过借助时间敏感网络为IEEE 802.1和IEEE 802.3标准以太网网络提供的改进来实现的，该改进提供了有保证的数据传输，具有有界低时延、低时延变化、关键流量的零拥塞损失和高可用性。
本行规通过仅参考国际标准来建立网络基础层的通信堆栈及其管理，有助于工业通信网络的融合。此外，本行规允许不同数据流在终端设备之间共存，包括IEC 61784-2中定义的数据流，这些数据流根据不同的应用需求具有不同的性能特征和功能能力。据了解，IEC 61784-2中的一些通信行规族需要修改，以确保与本行规适用。这些修改超出了本文件的范围。
本标准提供了工业通信网络领域所需的如下特性：
——满足数据传输相关低时延和时延变化要求；
——在频繁的时间段内有效地交换数据记录；
——具有可计算的停机时间的可靠通信；
——满足应用需求的高可用性；
——具有零拥塞损失的，多个数据记录交换的带宽利用有效机制；
——改进的时钟同步机制，包含支持多个时钟域。
工业应用的运行：
工业网络的应用基于传感器应用、IA控制器应用和执行器应用三种主要的构建模块，这些模块可组合成一个IA控制器；也可以通过网络将一个IA控制器和多个IA设备互联组合而成。
这些基本构建模块具体如下：
——传感器应用，它提供测量值的输入，指示监视参数的值，例如温度或压力；
——IA 控制器应用，它根据测量值和设定值来确定输出要求，例如运动控制应用中的位置校正；
——执行器应用，它执行输出要求，致使受控的过程或机器的物理量发生变化，例如储罐的物位、印刷机的速度或机器人的位移。
以太网接口：
在应用和以太网接口之间，一个或多个中间件作为一层。图3示例了应用、网络和这些中间件之间的关系。各种应用可在一个自动化设备上并行运行。数据对象表示各应用之间交换的信息，这些应用运行在不同的终端设备。与这些数据对象关联的属性包括来自终端设备的流要求。这些数据对象定义的要求被转换为流要求。这种转换能够通过以下方式之一完成：
a) 由用户定义数据对象并将其转换为流要求和终端设备通信配置。通过用户特定的机制配置网络部件并建立路径；
b) 由用户定义数据对象并将其与适用的流 QoS 要求相关联。这些能作为对流要求的请求由 CUC发送给 CNC。CNC 将通过流配置响应来应答。请求和应答按 IEEEP802.1Qdj 中的规定。CUC能集成到终端设备中，也能通过用户对用户协议进行访问。中间件使用以上信息来配置发送方和接收方。此信息也可用于向数据对象附加时间信息。这一过程在 6.7 中有进一步的描述；
c) 时间感知偏移控制利用每个流队列(参见 IEEE Std 802.1Q-2018，图 34-1)和流的流量规范，包括 CNC 提供的传输偏移量，以确保流传输的顺序。
满足控制回路时延要求的可用机制：
网络延迟要求可通过下列任一或多种机制组合达到。可根据应用的性质及其相应的延迟要求选择下面列出的一种或多种机制：
a) 定义、测试并模拟所有可能的应用组合及相应的流量类型；
b) 预留网络；
c) 为需要网络传输的应用程序提供调度时间槽；
d) 抢占低优先级流量；
e) 为特定流量等级提供对应的调度时间槽；
f) 时间感知偏移控制
g) 在网桥中强制执行确定性排队延迟
详情请见附件。
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