导 读
2019年，汉诺威的主题是“融合的工业——工业智能”，作为“工业智能”的基石，智能化技术和网络化技术自然成为本届工业展的重中之重，涉及的内容包含工业人工智能、协作机器人、数字孪生、工业互联网平台、数字物流等范畴。在这个通信领域大军浩浩已临5G元年城下的年度，工业4.0与5G+TSN的融合是今年的重要看点。
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作者：物女王（彭昭） 物联网智库 原创 转载请注明来源和出处 导 读 2019年，汉诺威的主题是“融合的工业——工业智能”，作为“工业智能”的基石，智能化技术和网络化技术自然成为本届工业展的重中之重，涉及的内容包含工业人工智能、协作机器人、数字孪生、工业互联网平台、数字物流等范畴。在这个通信领域大军浩浩已临5G元年城下的年度，工业4.0与5G+TSN的融合是今年的重要看点。 这是我在【物女心经】专栏写的第120篇文章。 本周，在德国举办的汉诺威工业博览会落下帷幕。这场创办了超过70年的工业领域盛会，一直是探索工业变现模式的试验场，以及引领工业未来发展的风向标。 从现场展示的内容来看，每一年都有大量的新技术和新产品集中亮相：
2019年，汉诺威的主题是“融合的工业——工业智能”，作为“工业智能”的基石，智能化技术和网络化技术自然成为本届工业展的重中之重，涉及的内容包含工业人工智能、协作机器人、数字孪生、工业互联网平台、数字物流等范畴。 在这个通信领域大军浩浩已临5G元年城下的年度，工业4.0与5G+TSN的融合是今年的重要看点。 汉诺威设立了专门的5G展馆，呈现不同公司的5G工业应用。TSN时间敏感网络作为在工业领域融合信息技术（IT）和运营技术（OT）的重要桥梁，由其掀起的改造工业互联网IIoT底层架构的浪潮持续演进，相关进展尤为值得关注。 因此，在本文中你将看到：
01 西门子“力挺”TSN TSN意味着一种网络、一种协议可以同时满足工业领域的OT和IT需求。 作为底层的通用架构，TSN使得更多企业可以在此架构上实现OT和IT的融合。这种融合提高了工业设备的连接性和通用性，并且为包括大数据分析以及智能的、连接的系统和机器在内的新的业务提供了更快的发展路径。 从纵向来看，工业企业中现有的网络架构是分层的。信息层、控制层和现场层，对于网络的需求不尽相同。 信息层需要高带宽和灵活的网络拓扑结构，控制层和现场层则需要确定性网络，以固定的时间间隔传输控制信号，满足高速实时性的操作需求。因此，在IT与OT层面，工业企业往往需要多种网络同时工作。 从横向来看，各个公司都开发了自己的专属工业以太网协议，让网络设备与协议彼此绑定。 比如西门子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、罗克韦尔的Ethernet/IP、还有EtherCAT、POWERLINK、CC-Link等，它们之间互不兼容，增加了市场的碎片化。 对于生产环境而言，多一根线缆、多一份投资、多一个故障点。 工业互联网的发展需要一个可互操作的系统，支持多个制造商、协议和机构在同一个网络上共享。 TSN的出现，打通了IT和OT融合的基础，，一定程度上减弱了人为制造的割据势力。 TSN与OPC-UA相结合，在通讯机制和数据结构层面，实现了真正意义上的互联互通，将会重新定义现有的工业架构。 接下来的问题是，如何向TSN过渡？ 这是一个如何逐渐重塑市场格局的问题。 现有的工业以太网协议不会在一夜之间消失，几乎所有的工业以太网组织都提供了描述现有工厂如何与基于TSN的设备结合的模型。 2016-2017年，TSN应用于工业互联网领域的核心功能逐步完善。随后，多家厂商宣布了对OPC-UA与TSN的支持，并加入相关国际组织，包括ABB、贝加莱、Bosch Rexroth、CISCO、GE、NI等自动化与IT厂商。 2018年12月，西门子正式宣布支持OPC-UA和TSN这对组合，TSN与西门子的工业以太网协议Profinet在数据链路层进行集成，并发布了第一批TSN技术相关产品，包括具有TSN功能的网络组件、通信处理器、软件和网络管理系统。 按照业界老司机的话讲：“西家要是不支持，多少个联盟都没用。” 现在西门子动起来了，这使得从Profinet逐步过渡到TSN和OPC-UA成为可能。 由于在工业自动化领域占有较大的市场份额和领军位置，西门子的这一行动成为市场对TSN发展的一剂强心针。 在本届汉诺威上，西门子基于更加成熟的产品，更新了2018年的展示方案，呈现在高网络负载条件下，使用TSN可以保证机器之间稳健可靠的以太网通信。 西门子将OPCUA与TSN一起用于M2M通信，以连接多个机器人（1个主机 + 2个从机 + 1个软件监控终端），每个机器人通过Profinet与SIMATIC控制器通信。 在演示中，机器人执行简单的摆臂动作，通过TSN发布控制参数，从设备和软件监控终端订阅数据，执行相同动作并显示动作参数，同时在TSN上运行视频监控应用，模拟高网络负载条件。 关闭TSN时，视频监控（IT）对机器人动作（OT）偶有干扰，机器人动作不能完全一致。开启TSN后，IT网络流量不影响OT通信，视频监控和机器控制各自不受干扰。在西门子看来，TSN技术现已达到实用所需的标准与技术成熟度。 华为、施耐德、思科、AVNU联盟、IIC联盟、CC-Link协会等也纷纷展示TSN的最新进展。 华为联合30+合作伙伴（包括Fraunhofer FOKUS、施耐德电气、海尔等）联合呈现了基于边缘计算的OPC UA 和TSN测试床。 华为认为OPCUA 和TSN可以提高工业车间级信息交换的效率，利用通信网络将算力从云端下沉到边缘，建立边缘智能的实现基础。 边缘计算则是驱动预测性维护、数据分析、机器学习和人工智能等创新技术发展的关键因素之一。OPC UA与TSN帮助工业企业通过减少停机时间，提高整体设备效率，降低总拥有成本。 在汉诺威期间，施耐德也展示了OPC-UA与TSN的概念证明。新推出的Modicon M262逻辑与运动控制器，带有MQTT 协议，更容易连接至物联网。 ModiconM262能够与面向机器制造商的EcoStruxure架构与平台无缝合作，使设备制造商将工业物联网功能，集成到现有机器中。
CC-Link协会带来了最新的开放式工业网络协议标准CC-Link IE TSN，进一步拓展了CC-Link IE基于工业以太网，实现企业从信息层到应用层纵向整合的能力。
在2019年3月，三菱电机宣布“一鼓作气”推出第一批支持CC-Link TSN的102款产品，包括上篇文章中提到的J5新一代伺服驱动系统。 AVNU联盟、工业4.0实验室网络LNI4.0和IIC联盟也各自展示了TSN测试床。
为了推进OPC-UA与TSN的发展，恨不能给它带上倍速播放的动效，多家公司自发联合形成了“塑造者”阵营（Shaper Group）。 罗克韦尔最新加入其中，计划将工业以太网协议EtherNet/IP与TSN在网络架构的第二层进行集成。
思科展示了支持TSN的IE 4000系列交换机，但却没有透露交换机的具体价格。然而，有“密探”播报了价格上限，TSN以太网交换机的价格将比不支持TSN的交换机最多高25%。 部署TSN的成本现在仍旧不菲。
02 TSN的演进之路 TSN有机会全面利用以太网高带宽的优势，弥补标准以太网“非确定性”的短板，在工业网络中充分引入竞争并实现大规模放量。 在这个生产制造逐步上云上平台、移动化、SaaS化的时代，TSN对工业企业的改造非常接地气，深入“最后一公里”。 TSN可以让不同网络流量共享相同链路，是同时支持多种通信标准的公共网络，带来的益处显而易见：
AVNU联盟最新发布的白皮书，探索了TSN作为智能网络的商业价值。 TSN让网络的配置和部署更加简便，它向用户提供系统视图，配置I/O和控制设备。TSN的核心原则是使用一张网络管理所有通信，以保证性能和数据传输。 在实际的配置过程中，TSN使用集中式网络配置引擎（Centralized NetworkConfiguration，CNC）来进行操作。CNC是一种智能工具，它将自动计算得出最佳解决方案，以适应网络中所有连接之间的所有流量。 利用TSN建立的智能网络，整套系统可以更加自动化，减少人为干预和依赖。
目前TSN协议仍在不断完善，支持TSN的芯片和终端不断面世。思科、Broadcom、国家仪器、Belden、MOXA等企业正在致力于开发专为恶劣环境设计的TSN交换机、芯片、软件等产品。
以芯片为例，市面上可以见到的包括ADI公司的fido5000实时以太网多协议芯片、Broadcom的 Quartz BCM53570 TSN以太网交换芯片、恩智浦的LS1021A时间敏感网络TSN平台、德州仪器（TI）推出的多协议千兆位时间敏感网络处理器系列产品。英特尔和TTTech也在合作开发基于FPGA的TSN解决方案。 那么TSN会按照何种节奏发展呢？ 工业企业更看重稳定性和可靠性，对于新技术的采用周期较长。 无论如何YY发展速度上限，TSN的发展都不会像快速裂变的窄带物联网NB-IoT那样，一年走过“前辈”GSM的10年历程。
工业以太网的存量设备安装惯性很高，因此向新的通用工业网络过渡将是一个缓慢的过程。 现有的碎片化工业网络与协议，逐步转移到TSN需要包容与耐心，最可能的历程是新旧网络将共存多年。最终用户在感觉时机成熟时，可以选择自由迁移。各类工业通讯供应商也有机会根据市场需求，协调产品开发。 大多数工业网络联盟正在实施对TSN的支持，TSN与现有网络的搭配使用，将是一个可能延续多年的混合解决方案。 TSN与现有网络之间的关系，很可能参照工业以太网与现场总线之间的发展态势，安装基数逐步接近，并最终超越。
另一个可供参照的对标网络协议是EtherCAT，相关的组织是EtherCAT技术集团（ETG）。 EtherCAT技术于2003年由德国倍福公司在当年的汉诺威工博会上首次发，2003年底ETG组织成立。面对竞争激烈的工业总线协议市场，EtherCAT以超高速、低成本和开放性等特点，获得了广泛认可与接纳。
2007年EtherCAT进入中国市场，如今从最初的 5 家会员，发展到800家会员。 目前ETG在全球范围内拥有来自65个国家的5300多家成员公司，是全球规模最大，发展最快的现场总线组织。
TSN受到由多家名企组成的“塑造者”军团助推，发展速度有可能比预期的要快。 03 工业5G 另一个值得关注的趋势是工业5G。 从1G到5G的演进并不仅仅是技术升级，而且引发了商业场景的变化：
如今，5G已经兵临城下，这一代网络通信与前面各代有本质区别。当5G之前的通信网络主体面向公共服务时，网络覆盖即直接经济效益。而到了5G时代，网络建设的经济效益模式将被彻底打破。 5G由原来的B2C商业模式，将逐渐转向B2B，网络价值和网络特性也将更多的满足B2B需求。 此前的文章中我曾提到，在一次闭门会议中，邻座来自运营商的某位博士打趣的说，他们正在尝试用5G和人工智能做某地小龙虾的养殖监控。虽有调侃，却是对运营商状态的真实写照。 在这样的时代背景下，工业企业势必将会深度参与5G网络的规划与建设，否则将难以形成有效的网络建设投资模型。 需求方（工业企业）驱动的网络建设将可能出现，工业企业很有可能会较早的参与到5G的应用场景规划之中。 正如文初所讲，2019汉诺威展会特设了5G展馆，进行相关方案的展示。 5G的升级不是一次简单的带宽拓展和传输提速，它是一次端到端通信技术以及相关支撑技术的大版本汇集发布。它所带来的颠覆性变化遍及终端、无线、网络、计算、运维、管理、支撑、运营、服务等每一个细节领域，因而其对于产业的潜在影响更加广泛和深刻。
传感器、数字孪生和协作机器人之间不断的“交谈”，将会产生大量数据，在这里，5G不仅仅是一个遥远的愿望。 西门子从一开始就使用5G标准，并且通过开发相应的产品组合，为标准化和工业实施提供支持。西门子通过高通提供的移动测试设备接入5G，将工业实时过程数据上传到工业云平台MindSphere，展示5G应用场景。同时，西门子还在开展自己的工业5G研究计划，成立了多个5G互操作性测试中心。
博世力士乐展示了支持安全功能的5G移动控制面板等方案，一台5G控制单元可以像过去的有线设备一样，可靠地控制多台机器。
华为带来了5G LampSite工业解决方案。目前5G LampSite已经部署到工业制造等场景，利用5G高可靠、大带宽、低时延的能力用于AR远程诊断，AGV自动控制，8K超高清视频上传和下载以及其他各种物联网场景，极大提高了生产效率和可视化管理能力。
爱立信又双show了在上个月巴塞罗那MWC展会中亮相过的5G机器人“蜘蛛侠”。 这台“蜘蛛侠”机器人不仅可以前进和后退，还能跟随音乐跳舞。它由6个单独的机械臂组成，通过5G网络和边缘云的部署，机器人的6条腿之间可以保持实时沟通，从而协同完成每一个动作。
诺基亚展示了使用5G通讯的协作机器人。
值得一提的是，在本次展会上，成立于一年前的5G ACIA（5G产业自动化联盟）值得关注。 这个组织由德国人工智能研究中心（DFKI）、Festo、Götting、Harting、HMS、菲尼克斯电气、西门子、华为、英特尔、三菱、诺基亚、恩智谱半导体、倍加福和大众等公司联合成立。该联盟旨在推动5G在工业生产领域的落地，确保5G从运用之初即具备相应产业能力。 04 5G与TSN 5G的雄心之一是实现万物互联。 2018年底，Gartner公布了对185家公司的调研结果。最新的5G用例和进度调查报告显示，66%的企业计划到2020年部署5G，并预计主要用于物联网和高清视频领域。这一次，企业可能要比通信服务提供商先行一步。 就采用情况而言，企业对5G用例有更加明确的要求和期望。物联网、边缘计算和核心网络切片等均可通过5G获利。
物联网通信是5G最受欢迎的场景用例，59%的被调查企业预计5G功能网络将被广泛用于此目的，第二大最受欢迎的用例则是高清视频，53%的受访者选择了这一选项。 对于希望早期受益于5G的企业而言，Gartner认为，最直接的选择是建设企业专用网络。 从2019汉诺威展会传递的信息来看，现在是时候，让工业企业开始规划5G之旅了。
在CT和OT领域，一些公司共同发力，正在尝试将5G与TSN相结合。 将传感器、执行器等工业设备以无线方式连接到TSN网络，5G是非常合适的解决方案。与4G相比，5G的新功能，尤其是无线接入网（RAN），提供了更好的可靠性和传输延迟。而且，新的5G系统架构允许被灵活地部署，可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。 为了在5G上支持加载TSN服务，需要进一步增强无线接入网络和核心网络。主要挑战是实现TSN和5G网络的互通。
在3GPP的R15标准中，进一步减少了延迟，并在5G新空口中使能URLCC的新天线技术，从而为5G与TSN的集成建立了基础，并提高了可靠性。 当然，在5G中开展TSN服务，还需要更多的努力。因此在3GPP R16中，3GPP已开始对5G NR工业互联网IIoT进行新的研究，目标正是“集成5G和TSN网络”。根据需求规范，对于时间敏感的工业应用场景，可能需要达到1 ms的延迟、1微秒的抖动和99.9999%的可靠性。 时间敏感网络TSNover 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求。
工业网络架构中，将TSN与5G NR结合，有助于将5G的潜力扩展到更多领域，比如移动机器人或AGV的安装和控制、远程监控，甚至某些传统工业以太网的应用场景当中。
在这个无线时代，有多少工业企业愿意为了网络增加投资，铺设专用线缆？TSN和5G是不错的备选方案。 无论是5G还是TSN，技术炒作曲线已经开启，谨慎、理性的态度必不可少。工业互联网对通讯协议的复杂性和实时性都有较高的要求，在高峰与低谷之间渐进发展是常态。 对于一些方案来说，实施初期由于时滞效应的影响，经济价值并不明显，加之工业互联网项目对人员素质和操作技能有全新要求，不同环节之间的流程需要重建和熟悉，有可能造成J曲线效应，最初发生的情况与预期不一致，经过一段时间的校正之后才能走上正轨。
无论如何，网络连接即智能的潮流已经出现，即便难度颇高，未来终会到来。 最后，衷心感谢映翰通公司张建良博士在成文过程中对我颠倒昼夜的大力支持。 本文小结： 1.TSN时间敏感网络作为在工业领域融合信息技术（IT）和运营技术（OT）的重要桥梁，由其掀起的改造工业互联网IIoT底层架构的浪潮持续演进，相关进展尤为值得关注。 2.利用TSN建立的智能网络，整套工业网络系统可以更加自动化，减少人为干预和依赖。 3.从2019汉诺威展会传递的信息来看，现在是时候，让工业企业开始规划5G之旅了。 参考资料： TSN:Converged Network for Industrial IoT Industrial5G – The Wireless Network of the Future Could5G NR + TSN Mean the End of Industrial Ethernet As We Know It? Mitsubishireveals ‘first’ 102 products to support CC-Link TSN IsTSN Activity Igniting Another Fieldbus WAR? OPCUA over TSN: A Realistic Future for a Unified Industrial Control Network? TheBusiness Benefits of Time Sensitive Networking HowOPC UA and TSN Are Driving the Creation of a Universal Industrial Network 亚信集团副总裁祝刚：巴展印象与5G趋势的感受 Gartner调查：六成企业两年内部署5G 5Gtechnology: A business leader’s guide - Tech Pro Research 5Gvs 5G: Network Slices or Private Networks?
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