执行摘要

　　数位转型为工业自动化和工业生产带来振奋人心的新机遇。拥抱工业互联网  (IIoT) 将为制造商带来多重优势。 从缩短机器故障停工时间到采用全新商业模式，工业 4.0，正开启新一轮数位转型， 以前所未见的方式变革  着全球经济。

　　过去，对于不同的工业控制应用，制造商通常无法使用标准以太网技术，只能分别选配专有协议和系统。虽 然早期以太网络只能实现“ 尽力而为  ”通讯，但近年来标准以太网已取得长足发展。随着时间敏感网络 (TSN) 的面世，标准以太网目前已能够提供确定性服务，并融合过去因使用不同专有协议而相互隔离的“  自 动化孤岛 ”。

　　为了构建真正意义上的统一网络基础设施，实现面向未来的智能制造， 国际标准组织和 Moxa 等硬件供应商 正携手探索基于时间敏感网络的解决方案。以时间敏感网络作为 IIoT 网络运行的坚实基础，全球制造商将能 充分享受工业 4.0 的种种益处。

　　阅读本白皮书，您将了解到：

　　•如何通过在高带宽、低延迟性网络中为工业应用提供确定性网络和实时通讯，实现智能制造和 IIoT。

•传统“ 尽力而为 ”型以太网络如何向时间敏感网络转型，基于标准以太网技术提供确定性服务

　　•国际标准组织与 Moxa 等设备供应商如何合作将 TSN 打造为未来工业网络的基石

　　不止于数字

　　当前世界正经历新一轮的数位转型，制造商需重新考量现有商业模式和工业自动化基础设施。在“ 工业 4.0 ” 时代，要与时俱进、保持竞争力，仅仅像过去一样采用数字技术、在自动化孤岛中部署预定义流程已无法满足需求。打造面向未来的工业需清楚了解新一轮数位转型的驱动因素、当前工业自动化模式实现数位转型的局限以及如何克服局限，从而充分享受工业 4.0 带来的种种益处。

　　当前数位转型的驱动因素有哪些？

　　“ 工业 4.0”或“ 工业互联网 ”(IIoT) 是当前制造技术自动化和数据交换趋势的基础，其本质是数字化。数十年来， 通过将模拟信号、声音、图像、文本和其他信息转换为计算机可读格式，各个产业的根本均发生了改变。数  字化不仅提高了传统产业的效率和生产率，还创造了前所未有的新机遇，使全球商业模式产生革命性变化。 在可见的未来，这些趋势都将持续快速推动增长。不仅仅是工业领域，全球经济都将从中受益。

　　然而，产业数位转型不只是从模拟信息到计算机语言“1”、“0”的转换。制造商要利用所有信息，必须从工厂 成千上万的传感器和设备中收集数据，并进行处理，方便相关人员和机器即时做出知情决策。智能制造的数 位转型应囊括多种网络技术和协议，这些技术和协议可保证从精密人工智能机器人到传感器等各种数字设备 之间的无缝通讯，提高设备间可视性。

　　数字化可综合互联设备间的数据，收集有利于改善性能的反馈信息并采取相应行动。因此，许多制造商都开 始采用 IIoT 技术。企业为提高运营效率，改善商业实践，纷纷采用智能制造技术。无论是为了缩短机器故障 停工时间，还是为提高性能、为商业创新打造新机遇，亦或是为了部署产品即服务等全新商业模式，制造商 正一步步迈向数位转型。

　　当前工业自动化的局限

　　从第一次工业革命开始，制造商一直都在孜孜不倦地寻找提高生产率的途径。生产机械化后，制造商通过设  备互联提高效率和收益。20 世纪 80 年代，制造商开始使用数字设备，由此诞生了我们如今熟知的工业自动化。 通过下方的 Purdue 普渡模型可以清楚了解当前工业自动化的架构。

　　图 2. 目前的普渡模型

　　在目前的普渡模型中，工业自动化呈金字塔结构，彼此孤立的专有协议占据着各个层级。然而，这一模型为  当前工业网络的基础设施带来了一系列挑战。虽然独立的专有协议在自身专业领域的自动化方面优势明显， 但各协议使用的“ 语言 ”不同，为实时通讯带来很大难度。在这一模型中，传统工业网络存在延迟和控制问题， 不能“ 共享线路 ”，传输速度无法超过 100 Mb/s，扩展性也因此受到影响。再者，各应用使用专有硬软件也会影响互操作性，增加维护和运营成本。最终导致各层间难以实现系统集成和透明可视，对整个价值链造成不利影响。

　　要保持国际竞争力，企业还必须升级制造策略。目前，客户需求越发多样化，企业需要寻求解决方案，满足 未来新兴需求， 同时提高运行效率。企业需最大程度保持敏捷灵活、提高效率和迅速响应能力，来保持国际 竞争力。制造商过去仅靠预测销量调整生产的时代已经一去不复返。如今，需要利用大数据分析得出的相关 洞见，即时满足客户需求，以更低成本优化生产。这只是制造商通过部署最新技术，迈向“ 工业 4.0”并占据 领先地位的一个方面。

　　产业不断进行数字化、自动化和创新变革， 在全球工厂的复杂运营中，机器、设备和人员间的联系也日益紧密。 总之，工业网络需紧跟市场和工业发展趋势，保证企业能通过可靠和可扩展程度更高的网络，提升效率、灵活度和可用性，从而提高企业业绩、员工和客户满意度，取得进一步发展。

　　工业自动化的未来

　　传统的普渡模型，如上图“  自动化金字塔 ”所示，提炼了网络通讯的各个层面。各层之间彼此割裂，存在不 稳定风险，且维护困难，从长远来看问题更大。行业内部已有呼声，呼吁向“  自主型金字塔 ”转型，可实时针对市场和商业环境作出反应。在这一新结构中，彼此孤立的自动化孤岛和网络数据流能通过同一语言和统一的基础设施相互通讯。

　　图 3. 目前的普渡模型

　　如上图所示，在新的“ 自主型金字塔 ”中，未来工业自动化将是一个无缝连接的系统。在该系统下：

　　•   小型、静态和独立的控制环路发展为大型、动态和开放的控制环路通讯，即“ 信息物理系统  ”(CPS)， 实现软件和实体组件深度融合。

　　•   此前的闭环数据可在同一基础平台上互相通讯，从而产生新的双向数据通讯流，实现智能沟通。

　　•   所有商业资产，包括设备、材料和工作人员，均在统一的基础设施中智能互联，在“ 正确的时间点 ”， 通过端到端的“ 自主 ”通讯、合作、反应、匹配和优化，满足客户的多样化需求。

　　为自动化、维护、分析等多种独立应用搭建统一的网络基础设施，制造商可获得以下优势：

　　1.  由于不同终端设备可实时对话，配置系统、设备和应用产生实时反馈环的难度也大大降低。环境驱动 型的统一网络结构可进行机器学习，长期而言，可以利用大数据分析作出相应调整，从而提高应对定 制需求的灵活性和效率。

　　2. 数据获取度提高后，可实时监测生产，在不同情景下均能创造质量更高、细节更加完善的关键绩效指标。

　　3. 稳固可靠的网络基础设施可支持更多服务于生产现场设备的应用，包括计算、分类、质量控制和视频 监控等。得益于系统接收的实时数据，机器不必再独立运行，而是共同运作，提高生产率。借助新兴 的机器人和机器传感技术，如运动导引、增强现实、机器视觉和触觉等，工厂资产能够以更低成本优 化性能。

　　4. 标准化技术和可扩展结构，如基于以太网标准的技术结构，拥有更高的灵活性。此前，互不相同的基  础设施技术、协议和拓扑结构， 给网络配置造成巨大障碍，先通过标准化统一管理不同模块和拓展单元， 来提高各层建设、维护和移除的成本效益，并降低时间成本。

　　图 4. 迈向 IIoT 和工业 4.0 的演变之路

　　统一的基础设施可破除目前普渡模型中自动化孤岛间的壁垒，创造一个互联的物理工业系统，系统中各部分  可互相交流，分析数据，获得增值信息。如此一来，可通过工业互联网，在正确的时机和地点做出正确的决策， 将此前预先设定的固定流程转变为真正的动态流程。

　　总而言之，未来工业自动化和控制系统将致力于融合信息和互联网技术，不断满足对高可用性和实时通讯的 需求， 同时在实现成本和收益最佳平衡的基础上，支持新产品和创新解决方案的研发。更确切地说，未来统 一的网络基础设施要具备确定性通讯能力，保证性能和服务质量与导致当前自动化孤岛现象的专有协议水平 相当，甚至优于专有协议。令人欣喜的是，标准组织和独立供应商均已认识到工业 4.0 的潜在益处，正携手 为工业网络开发全新的统一基础——时间敏感网络。

　　设定标准：时间敏感网络

　　为响应建立统一确定性基础设施的呼声，TSN 应运而生。TSN 是一套协议标准，保证确定性信息通过标准以 太网络上顺利传输。根据电气和电子工程师协会 (IEEE) 的定义，TSN 包括一套网络流量管理机制，针对端对端网络数据时间延迟，确定不可协商的时间框架。因此，必须要保证TSN 网络上的所有设备时钟同步， 同时建立一个通用时间框架，支持工业控制应用实时通讯。虽然TSN标准是由IEEE最早制定，但如今的 TSN 早已超过IEEE的预想，TSN能取得现在的成果离不开众多国际组织和公司的辛勤工作和共同努力。

　　早期的标准以太网网络无法保证数据的正常传输，很大程度上会受到延迟的影响。因此，需要高可用、高可  靠性网络的行业开始开发专有网络解决方案（例如改进以太网网络、现场总线）， 为工业控制系统和自动化提供便利。为满足工业制造应用对高可用性和低延迟的需求，传统的“ 尽力而为 ”型以太网技术必须要不断升级， 提高可确定性。TSN 是标准以太网技术下一阶段发展的关键核心，让 IIoT 得以成为现实。除为以太网上的确定性服务设定一套标准之外，TSN 还汇聚不同工业组织和市场领军企业之力，实现共同目标——发挥工业  4.0 的全部潜力，完成数位转型。

　　升级“ 尽力而为 ”网络

　　传统的以太网联网技术通常包括集线器和交换机，它们都使用“ 尽力而为 ”数据包传送模式。大多数情况下， 网络按照顺序成功传输数据包，但成功概率并不能得到保证。尽管“ 尽力而为 ”网络对于 web 浏览应用来说已经足够，但工业级控制应用需要更高可用性、零丢包以及更低的延迟。如果不能保证数据包成功送达，关键控制数据就可能无法在正确的时间传送到正确的位置上。

　　20 世纪80 年代，制造商开始从机械或模拟技术向数字技术发展，尽管“ 尽力而为  ”模式下的以太网网络能够提供比传统现场总线更高的带宽，但它并不适合要求高精度、高可用性的工业控制系统，也无法确保实时数据传输。除高昂成本外，当时的以太网重传算法和冲突检测机制无法满足工业控制系统对性能的要求。因此， 制造商必须要为此开发专门的系统和协议，通过搭建确定性网络实现数字化。

　　与“ 尽力而为 ”网络不同，确定性网络有以下特性：

　　•   时间同步

　　•   资源预留

　　•   极低的丢包

　　•   保证端对端传送的带宽和低延迟

　　同以太网和工业自动化发展早期相比， 网络技术已经有了很大进步。实际上，现代的以太网技术甚至可以为 许多工业级应用提供确定性服务，而这种服务在过去需要专用系统和协议的支持才能实现。网络融合的趋势越来越明显，对带宽的需求也相应增加，一个能够真正具备确定性的以太网网络可能要比搭建专用网络性价 比更高且更能经受时间的考验。

　　确定时间敏感网络

　　为搭建起真正的融合网络，实现实时控制以及在工业设备间发送音频 / 视频的功能，IEEE 802.1 工作组下的TSN 任务组正在为以太网确定性数据传输模式制定一套标准。作为一套标准，与其说 TSN 是万能解决方案， 不如说它是一个工具箱；您需要了解可用的“ 工具 ”有哪些，以及每种工具的使用原理，这样才能确定哪些  工具更适配您的应用。

　　如下表所示，针对不同关键协议，时间敏感网络关注点有所不同：

　　1. 时间同步

　　2. 低延迟性

　　3. 可靠性

　　4. 资源管理

　　表 1 时间敏感网络协议 1

　

　　如“ 时间敏感网络 ”的定名所示，此种网络要求所有网络设备采用定义定时和时间同步标准的 IEEE 802.1AS  （未来则是 IEEE 802.1AS-Rev）协议。确定性网络的关键特征之一就是网络中所有终端设备、以太网交换机时间同步。另外，IEEE 802.1Qbv 协议定义了设备该如何遵照已定时间框架传输时间关键帧， 同时也为共享  同一“ 线路 ”的其他大批量流量保留“尽力而为 ”服务。除网络基础设施本身外，TSN 还需新方法来处理数据流， 满足其需要更多复杂计算的相应要求。因此，IEEE 802.1Qcc 定义了启用网络管理新方法的管理接口、机制和原则。

　　为更好理解 TSN 网络，我们可将其视为铁路系统，将以太网数据帧视为列车。在这个系统中，以太网交换机 和终端设备就如同火车站。想象一下，如果每个火车站都使用自己的当地时间，而不遵循整个铁路系统制定的标准时刻表会发生什么。如果火车站时间不统一，火车从 A 站出发后，乘客该如何知晓火车何时到达 B 站？ 为解决这个问题，铁路系统开始标准化旅客列车时刻表，这点同样也可以说明为什么工业网络需要时间同步。

　

　　图 5. 什么是时间敏感网络？

　　管理网络流量

　　能够管理并引导网络流量的管理模式是TSN的一个关键组成部分，这一模式允许在同一网络中配置一系列IEEE协议，确保它们能够正常运行。如果同铁路系统作比， 网络管理就是处理列车（数据）交通状况、维护秩序的信号系统，帮助列车顺利（有效载荷）到达目的地，避免与其他列车碰撞。根据 IEEE P802.1Qcc 协 议的描述，有三种管理模式可供选择：完全集中、完全分散以及部分集中。

　　•   完全集中模式下，终端设备将各自的流需求发送到中央管理设备。然后， 中央管理设备根据这些请求计算新数据流的时隙，对交换机和终端设备（类似铁路系统中的火车站）进行相应配置。

　　•   完全分散模式下，发送端向接收端传输开放流，路径上的每个终端设备都会接到特定应用程序的通知， 为特定流预存所需资源。此模式并不需要中央管理设备。

　　•   尽管部分集中模式保留了中央管理设备，但在终端设备将数据送至中央管理设备前，数据会通过标准  化协议先传递至最近的网桥。换句话说，部分集中模式下的中央管理设备仅管理网络数据流和资源，无需处理每个终端设备传递的流要求或有效载荷数据。

　　根据IEEE 802.1CB 协议定义，“ 本地及城域网标准——实现可靠性高的帧复制和消除 ”，TSN 流识别系统可根据不同方法识别流，包括识别目标 MAC 地址、VLAN 标识符、源 MAC 地址以及 VLAN 标识符等。此外， 流识别还可为网络中的特定流进行数据流量计算，处理冗余路径，提高容错。

　　完全集中模式

　　虽然完全集中模式并非处理时间敏感网络流量的唯一方法，但是它却是三种模式中最好解释说明的。正如前文所述，完全集中网络管理模式存在执行两个关键功能的中央管理设备。在下图中，这些功能由集中用户配 置 (CUC) 和集中网络配置 (CNC) 表示。

　　图 6. 完全集中 TSN 模式2

　　如上图所示，完全集中TSN模式包括以下五个部分：

　　•   终端 ( 发送端和接收端 ):

　　这些终端设备上运行的程序，需要运行时间关键型确定性通讯应用。终端设备还同时作为源头（发送端） 通过 TSN 系统向目的地（接收端）传输以太网帧。

　　•   网桥（以太网交换机）：

　　TSN 网桥是用来发送以及接收以太网帧的以太网交换机，帧中包括时间关键型通讯流。硬件设备可以来自任意一个供应商，但这些设备必须遵照完全一致的时间表传递数据。

　　•   集中用户配置 (CUC)：

　　集中用户配置由供应商指定， 同 CNC 以及终端设备进行通讯。CUC 代表着控制应用和终端站，要求同 CNC 进行确定性通讯。

　　•   集中网络配置 (CNC)：

　　中央网络控制器由供应商指定，帮助网络中的控制应用进行确定性信息传递，确定所有时间关键型信 息流传输需遵照的时间表，这些信息流按时间表传输至与适用 TSN 的网桥（以太网交换机）。

　　•   时间关键型信息流：

　　TSN发送端与接收端之间传递的信息属于时间关键型信息“ 流 ”3。发送端与接收端间传输的每一个事件关键型信息流都可以被终端设备准确标识出来，每一个信息流都有严格的时间要求。为保证确定性 信息能够顺利传输，需严格遵守这些时间要求。

　　同仅处理单独需求或网络功能的完全分散或部分集中模式不同，完全集中模式下的TSN同时处理“ 终端需求 ” 和“ 网络功能 ”两项，自动整合整个系统内的全部组件。虽然完全集中模式能够提高系统整合度，但却需要更复杂的计算以确保更高的网络利用率。最后，您可根据自身的具体应用需求，选择不同的TSN模式，这不属于TSN任务组制定的 IEEE 标准的范围。但由于每个模式及应用所使用的具体技术和协议可由任意供应商    提供，因此亟需独立供应商和其他行业企业填补这一空白。

　　为工业 4.0 共同努力

　　TSN 技术为依靠标准以太网搭建确定性网络提供了可扩展、可预测的方法。但由于 TSN 不仅是一项综合解  决方案，也是一个工具箱，系统集成商最终还是要依赖独立供应商和多种协议来满足每个工业应用的特定要求。 这种困境恰恰说明了为什么互操作性是确保 TSN 得以成功推广的关键所在。总而言之，基于 TSN 的统一化基础设施从根本上要求在两个关键方面实现互操作性：

　　1. 符合 TSN 标准、能够帮助 2 层实现网络构建和消息传递的通用架构

　　2. 网络中多个协议间的通讯通用语义

　　认识到工业 4.0 的优势以及智能制造的未来，全球各标准组织、工作组和独立供应商正“ 尽力而为  ”，建立一个共同的基础设施，通过提升互操作性实现设备协作，单元数据获取和应用扩展。

　　图 7. 助力工业自动化的完全互操作性

　　通用架构：2 层互操作性

　　TSN 这一确定性以太网标准本质上属于计算机网络开放式系统互联 (OSI) 模型中的 2 层技术。2 层，即数据 链路层，包含各种根据设定程序传输以太网帧的技术。工业 4.0 对以太网交换技术提出了更高要求，如在低 延迟网络中实现实时通讯，在高网络负载期间稳定运行，融合信息技术 (IT) 和 操作技术 (OT) 传输数据。为 了满足上述要求，以太网交换机制造商和行业组织纷纷开始采用 IEEE 制定的开放式 TSN 标准。

　　Moxa 积极携手业内其他领先的以太网交换机提供商，推出符合 IEEE 802.1 TSN 标准的前瞻性解决方案，实现确定性以太网通讯，直接推动了 2 层技术的发展。借助 Moxa 等制造商提供的支持 TSN 技术的以太网交 换机，系统集成商不必更改现有的应用程序，就可满足工业 4.0 的高带宽实时传输要求。此外，集成商只需使用标准的 IEEE 以太网交换机，就可完成一切所需工作，甚至还能将“  即插即生产  ”型设备添加到融合网 络中。实际上，支持 TSN 技术的以太网交换机可为 IIoT 和 工业 4.0 应用提供高确定性网络，保证其运行表 现丝毫不亚于传统的专有系统，甚至更胜一筹。除了可扩展性、灵活性、高带宽、高可用性等优点外，TSN 以太网交换机在部署和维护方面也颇具成本效益。

　　Moxa 不仅提供标准以太网硬件，推动建立符合 TSN 标准的通用基础设施，还积极参与世界各地的跨厂商 TSN 插拔大会（供电子设备设计人员测试其符合某一技术标准的产品与其他制造商产品间互操作性的活动） 和测试床项目，包括两个分别由边缘计算产业联盟和工业 4.0 实验室网络牵头在德国举办的项目，以及一个  由工业互联网联盟在美国举行的项目。在这类插拔大会和测试床项目中，Moxa 可以严格测试其 TSN 产品与  其他供应商产品之间的互操作性，确保上市产品的稳定性和可靠性符合标准。

　　通用语义：2 层以上的协议互操作性

　　即使未来“ 自动化金字塔 ”中的设备可由独立供应商开发，各设备仍需具有与系统内其他所有组件（不仅限 于 2 层设备）通讯的能力，才可充分发挥工业互联网的优势。要想成功部署 TSN，不仅需要打破 2 层传统自动化孤岛之间的阻隔，还需实现跨层协议互操作，支持更灵活的拓扑结构，为工业应用释放新机遇。

　　为此，世界各地的行业组织正在就 OPC 统一架构 (OPC UA) 和配套规范开展合作，力求在不同供应商和标准间统一语义。参与这一工作的组织有 CC-Link 协会 4 、EtherCAT 技术协会、Ethernet POWERLINK 标准化 组织 5、德国机械设备制造业联合会、开放式设备网络供货商协会 6 、PI 国际组织等。

　　中间解决方案：OPC UA 配套规范

　　OPC UA 配套规范支持企业将采用不同通讯协议的现有机器映射到 OPC 统一架构中，从而实现 IIoT 通讯。 事实上，EtherCAT、MTConnect、PROFINET、Sercos、Powerlink 等协议均已映射到 OPC UA 配套规范中。 OPC UA 配套规范将格式往往不同的信息转为共享的通用语言 (OPC UA)， 因此可兼容不同的工业协议。如此一来，来自不同供应商的机器无需立即放弃现有系统和协议就能实现互操作。

　　通用语言：OPC 统一架构

　　虽然 OPC UA 配套协议为机器互操作提供了中间解决方案，但 OPC UA 的开发新目标是成为各层级的现场或云端、水平或垂直应用的通用平台。由于 OPC UA 可用于完整描述复杂的系统和语义， 因此，在 TSN 技术的支持下，工业自动化应用有望以 OPC UA 取代专有协议和独立系统，实现“本地 ”协议互操作。7打个比方，   如果世上人人都讲同一种语言，那么人际交流即可彻底告别字典。同理，OPC UA 这门通用语言可免去“ 翻译 ” 不同协议的麻烦，实现无缝互操作。由此带来的诸多益处显然能打动行业组织和独立供应商，鼓励他们支持 OPC UA，共同营造工业自动化的未来。

　　采用统一的网络基础设施，有助于在保障性能无损的条件下，实现从工厂车间里的传感器、致动器、机器、 控制器到云端的双向 IIoT 数据通讯。然而，提高工业系统的集成和互联程度，也将引发网络安全风险。但有  风险不意味着制造商就应避免采用 IIoT 技术，就此放弃时间敏感网络在标准以太网方面的诸多优势。好消息是，国际电工委员会也在制定工业网络和系统安全的全球标准（如 IEC 62443）。因此，选择这些先进技术有助于承托未来 IIoT 的统一架构，在把握工业 4.0 和数位转型机遇的同时降低相关风险。

　　构建统一标准，致胜自动化时代

　　当前的数位转型浪潮将在未来数年内彻底改变制造业。无论是提高资产利用率，还是从“ 产品即服务 ”模式 中攫取新商机，这场革命将为您带来所需的一切。然而，要想充分发挥工业互联网的优势，工业控制系统的 实时通讯必不可少。为此，您需要高带宽、低延迟的确定性网络。

　　今天，时间敏感网络技术的问世意味着，标准以太网技术从此可超越传统“ 尽力而为 ”通讯模式的限制，提供确定性服务。部署 TSN 后，制造商无需再受限于将自身应用困于自动化孤岛的专有协议和控制系统。全新的双向通讯流将超越传统普渡模型中的水平与垂直隔层，开启工业应用一体化新时代。

　　总之，随着国际标准组织和以 Moxa 为代表的设备供应商继续围绕 TSN 深化合作，标准以太网技术必将成为 未来 IIoT 时代工业网络的基石。

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