作者：倍福資深控制系統(tǒng)架構(gòu)師兼國際大客戶管理高級經(jīng)理GuidoBeckmann博士和倍福控制系統(tǒng)和通信架構(gòu)高級經(jīng)理ThomasRettig

安全、符合標準的數(shù)據(jù)和信息交換—不僅是在設備內(nèi)和設備間、機器內(nèi)和機器間以及服務內(nèi)和服務間，還是在生產(chǎn)線內(nèi)，亦或是生產(chǎn)設備間—都是目前工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)方案所面臨的核心挑戰(zhàn)。而基于PC的控制技術(shù)采用的是開放式體系架構(gòu)，因此是應對這一挑戰(zhàn)的理想選擇。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，倍福一直在不斷地探索能夠進一步推動工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的新途徑，因此，公司目前正與華為—全球領先的信息與通信解決方案供應商—在交換機技術(shù)、路由器技術(shù)和5G移動通信技術(shù)領域展開全面合作。

圖1：基于云計算的自動化中的通信要求

倍福在開放式控制技術(shù)實施方面一直發(fā)揮著先鋒模范作用，因此用戶可以從基于PC的控制系統(tǒng)并連帶有第三方系統(tǒng)的互操作技術(shù)中獲益。已獲得國際認可的倍福EtherCAT通信標準確保了來自不同供應商的兼容設備在現(xiàn)場層的集成性和互操作性。OPCUA數(shù)據(jù)交互標準為互操作性提供了進一步的支持，實現(xiàn)了在機器間交互和垂直業(yè)務過程中獨立于供應商和平臺的通信。

工業(yè)自動化涉及到將設備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)從I/O層移動到云端（參見圖1）。能夠跨越這些層并干預這些層的統(tǒng)一、高確定性及低延遲的通信系統(tǒng)是實現(xiàn)高級生產(chǎn)控制任務的關(guān)鍵，而這也是倍福正在評估下一代LAN、WAN和移動通信技術(shù)的原因所在。

此次與華為合作的重點是交換和路由方式以及5G移動通信技術(shù)，目標是通過簡單的配置預留帶寬，以確保低延遲和低抖動。而目前正在探索的技術(shù)純粹是為了在異構(gòu)網(wǎng)絡上實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)路由功能。EtherCAT通信協(xié)議本身保持不變，允許無縫集成現(xiàn)有的EtherCAT網(wǎng)段以及繼續(xù)使用各種可用的EtherCAT設備。

EtherCAT的運行方式使得它特別適合被集成在異構(gòu)網(wǎng)絡中：通常，僅使用一個以太網(wǎng)幀即可訪問EtherCAT網(wǎng)段上的所有節(jié)點。這一個幀只需要在遠程EtherCAT控制器和EtherCAT設備所在的網(wǎng)段之間進行路由，而不是以其它技術(shù)所需的方式向該網(wǎng)段上的每個節(jié)點發(fā)送一個單獨的幀。

圖2：交換和路由技術(shù)

迄今為止，作為合作的一部分，雙方已經(jīng)審查了三種新的通信技術(shù)：

–X-Ethernet：IEEE802.3以太網(wǎng)標準規(guī)定了如何在物理層和MAC控制器之間編碼符號。正是在這一編碼層，數(shù)據(jù)流在X-Ethernet交換機之間（即ISO/OSI模型的第“1.5”層）傳輸

–確定性IP：通過在基于IP的網(wǎng)絡（第3層）上預留帶寬，可以實現(xiàn)小于50μs的確定性延遲

–5G無線技術(shù)：5G移動通信技術(shù)不僅可以提高數(shù)據(jù)吞吐量，還可以降低延遲（在1ms范圍內(nèi)），實現(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。路由一般在IP層進行，但在第二層的短點之間也會有路由方法

圖2顯示的是這幾項技術(shù)的評估結(jié)果，以及它們?nèi)绾斡成涞絀SO/OSI模型中。時間敏感網(wǎng)絡（TSN）技術(shù)在這里也適用。EtherCAT技術(shù)協(xié)會（縮寫為ETG）在白皮書中描述了EtherCAT在TSN網(wǎng)絡中的使用方法，同時，ETG也設定了相關(guān)規(guī)范。

技術(shù)研究：及早識別和評估創(chuàng)新潛力

–技術(shù)評估：對于倍福來說，重要的是要盡早探索信息和通信技術(shù)（ICT）領域的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品能否以及在多大程度上提供可以在整個通信鏈中實現(xiàn)改進的潛力（從云端到I/O層），從而為客戶謀福利

–華為希望能與自動化領域的領軍人物合作，因此他們邀請倍福參與各項技術(shù)研究工作

–EtherCAT是一款功能非常強大的工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，非常適合與華為面向5G承載創(chuàng)新技術(shù)X-Ethernet和確定性IP解決方案以及TSN等異構(gòu)網(wǎng)絡技術(shù)配對

–X-Ethernet傳輸長度固定的位塊而不是幀，因此用它進行網(wǎng)絡配置要比使用TSN進行網(wǎng)絡配置容易得多

–與TSN相比，確定性IP具有實時路由網(wǎng)絡的優(yōu)點，能夠支持生產(chǎn)大廳、制造單元和子網(wǎng)之間的高效通信

–評估5G無線技術(shù)，首要目標是幫助華為這樣一家全球領先的ICT芯片和端點設備制造商洞悉工業(yè)級無線通信會涉及到哪些要求，其次是讓倍福能夠更加深入地了解未來5G技術(shù)的性能潛力

圖3：X-Ethernet演示設置

X-Ethernet：1.5層交換技術(shù)

X-Ethernet與長度固定的位塊協(xié)作，這些位塊在物理編碼子層（PCS）上從一個端口傳輸?shù)搅硪粋€端口。根據(jù)IEEE802.3標準在PCS上將這些塊編碼（例如8B/10B或64B/66B）分為一個一個小的塊。由于位塊的長度是固定的，因此時間抖動非常低（<100ns）。此外，時間抖動不受可變幀長度的影響，通常使用二層交換。在X-Ethernet交換機中，管道以數(shù)據(jù)流所需的數(shù)據(jù)傳輸速率配置，無需在查找MAC/IP數(shù)據(jù)表的基礎上進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)或做出決策；輸出緩沖區(qū)不會發(fā)生擁塞。

我們不妨舉例說明一下這個原理：上面圖3中的設置顯示的是一個100Mbit/s管道從EtherCAT主站運行，經(jīng)過兩個X-Ethernet交換機，直到EtherCAT網(wǎng)段。兩個X-Ethernet交換機之間提供了一個1Gbit/s的鏈路。這樣就能夠通過交換機建立一個圖像處理需要使用的視頻流管道，它與EtherCAT數(shù)據(jù)流量平行。剩余的900Mbit/s帶寬仍然可用—或者可能只有600Mbit/s，余下的300Mbit/s用于其它實時或異步、非優(yōu)先級流量。未預留的1Gbit/s鏈路的帶寬可以用于異步流量；即使距離很長，異步幀也不會破壞實時通信。

在本示例中，X-Ethernet交換機被配置為提供一個虛擬100Mbit/sEtherCAT管道。研究發(fā)現(xiàn)，通過這種簡單的設置，無需通過主機進一步進行修改，就可以通過網(wǎng)絡傳輸標準的EtherCAT報文，然后在標準的EtherCAT網(wǎng)段上處理這些報文。PLC應用的循環(huán)時間達到50μs。X-Ethernet交換機的時間抖動極低，只有不到20ns，延遲時間不到3μs，因此無需進行進一步修改，即可使用EtherCAT網(wǎng)段上的分布式時鐘實現(xiàn)時間同步：X-Ethernet網(wǎng)絡前后的兩個切換輸出的時間抖動和同時性都是<<100ns，X-Ethernet網(wǎng)絡在性能表現(xiàn)上就像一根長電纜。

華為近日提出并標準化的5G承載技術(shù)X-Ethernet是一項可以用于涉及到在跨異構(gòu)網(wǎng)絡中并行運行標準通信和多實時通信的應用場合的可靠技術(shù)。數(shù)據(jù)流（即管道）易于配置，并具有出色的實時性能。遠程控制系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡與一個或多個EtherCAT網(wǎng)段（即設備單元）實時交換數(shù)據(jù)，同樣也可以在高動態(tài)驅(qū)動應用條件下實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖4：確定性IP，保證對端到端時延的限制

確定性IP（DIP）：三層路由

當設備模塊或單元通過路由器互連時，二層（或更低層）交換就不再能夠在邏輯上將流量劃分成多個子網(wǎng)。但是應用程序與控制器的連接取決于實時性能，例如連接一臺用于在線分析設備數(shù)據(jù)的邊緣控制器，或者一臺位于服務器室內(nèi)的設備控制器，遠離其控制的設備。

在邊緣服務器中進行運算，以便根據(jù)通過設備監(jiān)測獲取的實際過程值確定性響應時間來創(chuàng)建一個“數(shù)字雙胞胎”設備模型。必須以循環(huán)速度將設備或系統(tǒng)的實際值發(fā)送給邊緣服務器，并與設備模型中的期望值進行比較。然后必須以低時延將輸出矢量發(fā)送給設備，便于對其設置進行微調(diào)。

確定性IP就是最佳解決方案。DIP作為已被ETSI（歐洲電信標準化協(xié)會）認可的規(guī)范，它可以在基于IP的網(wǎng)絡中的第三層上提供實時服務。在一個定義的IP選項字段報頭中，所連接的端點可以要求DIP路由器預留它們所需的帶寬。路由器會相應地提供有保證的端到端帶寬和時延。這些路由器能夠以小于50μs的時延來移動數(shù)據(jù)。每個路由器都能確保在最短的時間內(nèi)確定流量分配優(yōu)先級。

也可以根據(jù)需要斷開系統(tǒng)和設備連接，然后重新連接，以建立生產(chǎn)靈活性。當網(wǎng)絡連接恢復時，它們可以再次發(fā)出請求，并配置它們所需的帶寬。

圖5：倍福的EK1000耦合器用作EtherCAT開放模式耦合器

EtherCAT協(xié)議也適用于IP層，因為根據(jù)EtherCAT規(guī)范，每臺EtherCAT設備都可以處理嵌入在UDP/IP數(shù)據(jù)包中的EtherCAT報文。這在EtherCAT規(guī)范中被稱為開放模式（OpenMode），只有第一臺與EtherCAT網(wǎng)段中的DIP路由器連接的設備才能夠評估IP協(xié)議。

例如，倍福的EtherCATTSN耦合器EK1000可用于實現(xiàn)此目的（見圖5），它既支持IP尋址，也支持MAC尋址。耦合器有兩個以太網(wǎng)口，其中一個口用于連接耦合器和以太網(wǎng)網(wǎng)絡。EK1000以最小的時延將幀從以太網(wǎng)口傳輸?shù)紼therCAT口。EtherCAT網(wǎng)段上的所有其它設備都是標準的EtherCAT設備。

在測試設置中，服務器PLC通過EK1000耦合器經(jīng)由DIP網(wǎng)絡連接EtherCAT網(wǎng)段，以運行循環(huán)時間為2ms并具有直流同步的運動應用程序。通過EtherCAT主站嵌入在UDP/IP包中的EtherCAT報文被發(fā)送給DIP網(wǎng)絡并通過EK1000接收，EK1000將報文直接傳輸給EtherCAT網(wǎng)段。要完成此項任務，只需要擴展EK1000中的IP堆棧和EtherCAT主站來實施DIP選項字段報頭即可，這樣就能夠從路由器請求必要的帶寬。

對頻繁過程重構(gòu)有很大依賴的柔性生產(chǎn)需要配置起來同樣靈活的通信網(wǎng)絡。有了確定性IP，可以保證設備所需的低時延和確定性的流量（即使是在第三層）。如果需要路由子網(wǎng)，則同樣適用—例如，由于IT要求，或在工廠的生產(chǎn)單元或生產(chǎn)大廳之間使用WAN鏈路。

5G無線技術(shù)：下一代移動通信技術(shù)第五代

（5G）無線系統(tǒng)經(jīng)常被認為是與工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。而事實上，5G也確實具有引人矚目的功能：除了帶寬非常大之外，5G還能夠以超低時延在站點之間進行消息傳遞，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴词乖谝粋€較小區(qū)域內(nèi)用戶密度很高。這些功能在現(xiàn)如今的有線網(wǎng)絡中已被視為理所當然的存在，而這也使得這項新的無線技術(shù)成為自動化行業(yè)中一個有趣的命題。

下一代5G移動通信網(wǎng)絡與當前技術(shù)的主要區(qū)別在于：5G主要聚焦于機器型通信和物聯(lián)網(wǎng)，其能力遠遠超出了移動寬帶和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。國際電信聯(lián)盟（ITU）負責確定下一代移動通信的性能目標。圖6中總結(jié)的關(guān)鍵功能包括：–增強型移動寬帶（eMBB）–峰值數(shù)據(jù)率：20Gbit/s（10Gbit/s上行鏈路）–標準數(shù)據(jù)率：100Mbit/s（50Mbit/s）–超高可靠超低時延通信（URLLC）：–數(shù)據(jù)包傳輸時延小于1毫秒–最低可靠性要求1x10-5–大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）：–最小連接密度：每平方公里可連接設備數(shù)量為100萬臺

所有這些功能很難同時提供，因為從技術(shù)角度來看，這些功能是互不相干的。例如，狀態(tài)監(jiān)測中使用的傳感器將會被設計的盡可能減少功耗，以最大程度地延長電池壽命（mMTC），而移動機器人強調(diào)的是通過一臺控制器以極快的循環(huán)速度（URLLC）可靠地交換新的實際值和目標值。但是，被稱為“網(wǎng)絡切片”的新概念讓5G可以在網(wǎng)絡中并行組合這些功能，這樣就可以在共享的物理基礎設施上同時運行多個邏輯網(wǎng)絡或虛擬網(wǎng)絡。

因此，5G技術(shù)似乎適合部署在整合了運輸車輛、所連接的物流系統(tǒng)和生產(chǎn)線的并行控制的柔性生產(chǎn)運作中。

在2018年漢諾威工業(yè)博覽會上，倍福與華為WirelessX實驗室聯(lián)合展示了5G測試解決方案的演示套件。兩臺控制器通過5G鏈路連接。其中一臺控制器用來控制倍福的XTS磁懸浮輸送系統(tǒng)，它被用作用戶可以手動操控的無源驅(qū)動系統(tǒng)；XTS動子的實際位置作為參考值發(fā)送給第二臺控制器。第二臺控制器與第一臺控制器同步，復制操縱器的手動運動?？刂破鞯腘C循環(huán)時間為2ms，5G交換機之間的時延為1.1ms（URLLC）。控制器運行EtherCATAutomationProtocol（EAP）協(xié)議，使用二層以太網(wǎng)幀（無線交換）。與實時流類似，第二臺控制器將IP視頻流式傳輸給第一臺控制器，以監(jiān)測復制的運動（eMBB）。

3GPP工作組日前正在制定5G移動通信標準，并會在即將于2019年底完成的第16版中對這些功能進行標準化，然后由制造商在其芯片和設備接口設計中實施。

為確保電信部門正確理解并滿足工廠自動化的特定需求和要求，并確保垂直行業(yè)了解和充分利用5G功能，相關(guān)各方需要通力合作，密切配合。近日，來自運營技術(shù)（OT）和信息通信技術(shù)（ICT）領域中的機構(gòu)聯(lián)合起來，組成了5G產(chǎn)業(yè)自動化聯(lián)盟（5G-ACIA），該聯(lián)盟旨在增進成員間的相互了解，圍繞5G對相關(guān)技術(shù)、監(jiān)管和經(jīng)濟方面進行評估，推動5G在工業(yè)生產(chǎn)領域的落地。倍福是該聯(lián)盟的創(chuàng)始成員之一。

圖6：智慧工廠內(nèi)外的通信要求

成功合作

倍福一直在評估涵蓋了從I/O級到基于云的控制的自動化通信要求的新興技術(shù)的潛力。倍福與華為合作，共同探索如何將成熟的EtherCAT技術(shù)整合到異構(gòu)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中—在交換機層的以太網(wǎng)子網(wǎng)中，以及子網(wǎng)和路由層之間。展望未來，5G很可能成為實現(xiàn)機械或其它高級應用中涉及到的邊緣控制、設備間通信以及狀態(tài)監(jiān)測的切實可行的無線技術(shù)。華為和倍福在這兩個基本互補的領域都擁有扎實的專業(yè)知識和豐富的實踐經(jīng)驗，可以創(chuàng)造讓各自市場細分受益的協(xié)同效應。在這些協(xié)作舉措中，重要的是，要評估IT技術(shù)為工業(yè)自動化帶來的具體好處。最終，時間會告訴我們，哪些技術(shù)實際上已被推廣到客戶群中。