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

安全、符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和信息交換—不僅是在設(shè)備內(nèi)和設(shè)備間、機(jī)器內(nèi)和機(jī)器間以及服務(wù)內(nèi)和服務(wù)間，還是在生產(chǎn)線內(nèi)，亦或是生產(chǎn)設(shè)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(kāi)放式體系架構(gòu)，因此是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的理想選擇。作為一家技術(shù)驅(qū)動(dòng)型公司，倍福一直在不斷地探索能夠進(jìn)一步推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的新途徑，因此，公司目前正與華為—全球領(lǐng)先的信息與通信解決方案供應(yīng)商—在交換機(jī)技術(shù)、路由器技術(shù)和5G移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)全面合作。

圖1：基于云計(jì)算的自動(dòng)化中的通信要求

倍福在開(kāi)放式控制技術(shù)實(shí)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(guó)際認(rèn)可的倍福EtherCAT通信標(biāo)準(zhǔn)確保了來(lái)自不同供應(yīng)商的兼容設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)層的集成性和互操作性。OPCUA數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)為互操作性提供了進(jìn)一步的支持，實(shí)現(xiàn)了在機(jī)器間交互和垂直業(yè)務(wù)過(guò)程中獨(dú)立于供應(yīng)商和平臺(tái)的通信。

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

此次與華為合作的重點(diǎn)是交換和路由方式以及5G移動(dòng)通信技術(shù)，目標(biāo)是通過(guò)簡(jiǎn)單的配置預(yù)留帶寬，以確保低延遲和低抖動(dòng)。而目前正在探索的技術(shù)純粹是為了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)路由功能。EtherCAT通信協(xié)議本身保持不變，允許無(wú)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(shè)備。

EtherCAT的運(yùn)行方式使得它特別適合被集成在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中：通常，僅使用一個(gè)以太網(wǎng)幀即可訪問(wèn)EtherCAT網(wǎng)段上的所有節(jié)點(diǎn)。這一個(gè)幀只需要在遠(yuǎn)程EtherCAT控制器和EtherCAT設(shè)備所在的網(wǎng)段之間進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)單獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如何在物理層和MAC控制器之間編碼符號(hào)。正是在這一編碼層，數(shù)據(jù)流在X-Ethernet交換機(jī)之間（即ISO/OSI模型的第“1.5”層）傳輸

–確定性IP：通過(guò)在基于IP的網(wǎng)絡(luò)（第3層）上預(yù)留帶寬，可以實(shí)現(xiàn)小于50μs的確定性延遲

–5G無(wú)線技術(shù)：5G移動(dòng)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(shí)現(xiàn)更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。路由一般在IP層進(jìn)行，但在第二層的短點(diǎn)之間也會(huì)有路由方法

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

技術(shù)研究：及早識(shí)別和評(píng)估創(chuàng)新潛力

–技術(shù)評(píng)估：對(duì)于倍福來(lái)說(shuō)，重要的是要盡早探索信息和通信技術(shù)（ICT）領(lǐng)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(gè)通信鏈中實(shí)現(xiàn)改進(jìn)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(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物合作，因此他們邀請(qǐng)倍福參與各項(xiàng)技術(shù)研究工作

–EtherCAT是一款功能非常強(qiáng)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(luò)技術(shù)配對(duì)

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

–與TSN相比，確定性IP具有實(shí)時(shí)路由網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，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(píng)估5G無(wú)線技術(shù)，首要目標(biāo)是幫助華為這樣一家全球領(lǐng)先的ICT芯片和端點(diǎn)設(shè)備制造商洞悉工業(yè)級(jí)無(wú)線通信會(huì)涉及到哪些要求，其次是讓倍福能夠更加深入地了解未來(lái)5G技術(shù)的性能潛力

圖3：X-Ethernet演示設(shè)置

X-Ethernet：1.5層交換技術(shù)

X-Ethernet與長(zhǎng)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(gè)端口傳輸?shù)搅硪粋€(gè)端口。根據(jù)IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)在PCS上將這些塊編碼（例如8B/10B或64B/66B）分為一個(gè)一個(gè)小的塊。由于位塊的長(zhǎng)度是固定的，因此時(shí)間抖動(dòng)非常低（<100ns）。此外，時(shí)間抖動(dòng)不受可變幀長(zhǎng)度的影響，通常使用二層交換。在X-Ethernet交換機(jī)中，管道以數(shù)據(jù)流所需的數(shù)據(jù)傳輸速率配置，無(wú)需在查找MAC/IP數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)或做出決策；輸出緩沖區(qū)不會(huì)發(fā)生擁塞。

我們不妨舉例說(shuō)明一下這個(gè)原理：上面圖3中的設(shè)置顯示的是一個(gè)100Mbit/s管道從EtherCAT主站運(yùn)行，經(jīng)過(guò)兩個(gè)X-Ethernet交換機(jī)，直到EtherCAT網(wǎng)段。兩個(gè)X-Ethernet交換機(jī)之間提供了一個(gè)1Gbit/s的鏈路。這樣就能夠通過(guò)交換機(jī)建立一個(gè)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(shí)時(shí)或異步、非優(yōu)先級(jí)流量。未預(yù)留的1Gbit/s鏈路的帶寬可以用于異步流量；即使距離很長(zhǎng)，異步幀也不會(huì)破壞實(shí)時(shí)通信。

在本示例中，X-Ethernet交換機(jī)被配置為提供一個(gè)虛擬100Mbit/sEtherCAT管道。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種簡(jiǎn)單的設(shè)置，無(wú)需通過(guò)主機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行修改，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT報(bào)文，然后在標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT網(wǎng)段上處理這些報(bào)文。PLC應(yīng)用的循環(huán)時(shí)間達(dá)到50μs。X-Ethernet交換機(jī)的時(shí)間抖動(dòng)極低，只有不到20ns，延遲時(shí)間不到3μs，因此無(wú)需進(jìn)行進(jìn)一步修改，即可使用EtherCAT網(wǎng)段上的分布式時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步：X-Ethernet網(wǎng)絡(luò)前后的兩個(gè)切換輸出的時(shí)間抖動(dòng)和同時(shí)性都是<<100ns，X-Ethernet網(wǎng)絡(luò)在性能表現(xiàn)上就像一根長(zhǎng)電纜。

華為近日提出并標(biāo)準(zhǔn)化的5G承載技術(shù)X-Ethernet是一項(xiàng)可以用于涉及到在跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中并行運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)通信和多實(shí)時(shí)通信的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)時(shí)性能。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與一個(gè)或多個(gè)EtherCAT網(wǎng)段（即設(shè)備單元）實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，同樣也可以在高動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用條件下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖4：確定性IP，保證對(duì)端到端時(shí)延的限制

確定性IP（DIP）：三層路由

當(dāng)設(shè)備模塊或單元通過(guò)路由器互連時(shí)，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(gè)子網(wǎng)。但是應(yīng)用程序與控制器的連接取決于實(shí)時(shí)性能，例如連接一臺(tái)用于在線分析設(shè)備數(shù)據(jù)的邊緣控制器，或者一臺(tái)位于服務(wù)器室內(nèi)的設(shè)備控制器，遠(yuǎn)離其控制的設(shè)備。

在邊緣服務(wù)器中進(jìn)行運(yùn)算，以便根據(jù)通過(guò)設(shè)備監(jiān)測(cè)獲取的實(shí)際過(guò)程值確定性響應(yīng)時(shí)間來(lái)創(chuàng)建一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”設(shè)備模型。必須以循環(huán)速度將設(shè)備或系統(tǒng)的實(shí)際值發(fā)送給邊緣服務(wù)器，并與設(shè)備模型中的期望值進(jìn)行比較。然后必須以低時(shí)延將輸出矢量發(fā)送給設(shè)備，便于對(duì)其設(shè)置進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）認(rèn)可的規(guī)范，它可以在基于IP的網(wǎng)絡(luò)中的第三層上提供實(shí)時(shí)服務(wù)。在一個(gè)定義的IP選項(xiàng)字段報(bào)頭中，所連接的端點(diǎn)可以要求DIP路由器預(yù)留它們所需的帶寬。路由器會(huì)相應(yīng)地提供有保證的端到端帶寬和時(shí)延。這些路由器能夠以小于50μs的時(shí)延來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)。每個(gè)路由器都能確保在最短的時(shí)間內(nèi)確定流量分配優(yōu)先級(jí)。

也可以根據(jù)需要斷開(kāi)系統(tǒng)和設(shè)備連接，然后重新連接，以建立生產(chǎn)靈活性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)時(shí)，它們可以再次發(fā)出請(qǐng)求，并配置它們所需的帶寬。

圖5：倍福的EK1000耦合器用作EtherCAT開(kāi)放模式耦合器

EtherCAT協(xié)議也適用于IP層，因?yàn)楦鶕?jù)EtherCAT規(guī)范，每臺(tái)EtherCAT設(shè)備都可以處理嵌入在UDP/IP數(shù)據(jù)包中的EtherCAT報(bào)文。這在EtherCAT規(guī)范中被稱為開(kāi)放模式（OpenMode），只有第一臺(tái)與EtherCAT網(wǎng)段中的DIP路由器連接的設(shè)備才能夠評(píng)估IP協(xié)議。

例如，倍福的EtherCATTSN耦合器EK1000可用于實(shí)現(xiàn)此目的（見(jiàn)圖5），它既支持IP尋址，也支持MAC尋址。耦合器有兩個(gè)以太網(wǎng)口，其中一個(gè)口用于連接耦合器和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。EK1000以最小的時(shí)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(shè)備都是標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT設(shè)備。

在測(cè)試設(shè)置中，服務(wù)器PLC通過(guò)EK1000耦合器經(jīng)由DIP網(wǎng)絡(luò)連接EtherCAT網(wǎng)段，以運(yùn)行循環(huán)時(shí)間為2ms并具有直流同步的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用程序。通過(guò)EtherCAT主站嵌入在UDP/IP包中的EtherCAT報(bào)文被發(fā)送給DIP網(wǎng)絡(luò)并通過(guò)EK1000接收，EK1000將報(bào)文直接傳輸給EtherCAT網(wǎng)段。要完成此項(xiàng)任務(wù)，只需要擴(kuò)展EK1000中的IP堆棧和EtherCAT主站來(lái)實(shí)施DIP選項(xiàng)字段報(bào)頭即可，這樣就能夠從路由器請(qǐng)求必要的帶寬。

對(duì)頻繁過(guò)程重構(gòu)有很大依賴的柔性生產(chǎn)需要配置起來(lái)同樣靈活的通信網(wǎng)絡(luò)。有了確定性IP，可以保證設(shè)備所需的低時(shí)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(wú)線技術(shù)：下一代移動(dòng)通信技術(shù)第五代

（5G）無(wú)線系統(tǒng)經(jīng)常被認(rèn)為是與工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）相關(guān)的移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。而事實(shí)上，5G也確實(shí)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(shí)延在站點(diǎn)之間進(jìn)行消息傳遞，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴词乖谝粋€(gè)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(luò)中已被視為理所當(dāng)然的存在，而這也使得這項(xiàng)新的無(wú)線技術(shù)成為自動(dòng)化行業(yè)中一個(gè)有趣的命題。

下一代5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前技術(shù)的主要區(qū)別在于：5G主要聚焦于機(jī)器型通信和物聯(lián)網(wǎng)，其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了移動(dòng)寬帶和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）負(fù)責(zé)確定下一代移動(dòng)通信的性能目標(biāo)。圖6中總結(jié)的關(guān)鍵功能包括：–增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）–峰值數(shù)據(jù)率：20Gbit/s（10Gbit/s上行鏈路）–標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率：100Mbit/s（50Mbit/s）–超高可靠超低時(shí)延通信（URLLC）：–數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)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(shè)備數(shù)量為100萬(wàn)臺(tái)

所有這些功能很難同時(shí)提供，因?yàn)閺募夹g(shù)角度來(lái)看，這些功能是互不相干的。例如，狀態(tài)監(jiān)測(cè)中使用的傳感器將會(huì)被設(shè)計(jì)的盡可能減少功耗，以最大程度地延長(zhǎng)電池壽命（mMTC），而移動(dòng)機(jī)器人強(qiáng)調(diào)的是通過(guò)一臺(tái)控制器以極快的循環(huán)速度（URLLC）可靠地交換新的實(shí)際值和目標(biāo)值。但是，被稱為“網(wǎng)絡(luò)切片”的新概念讓5G可以在網(wǎng)絡(luò)中并行組合這些功能，這樣就可以在共享的物理基礎(chǔ)設(shè)施上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)或虛擬網(wǎng)絡(luò)。

因此，5G技術(shù)似乎適合部署在整合了運(yùn)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(yùn)作中。

在2018年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，倍福與華為WirelessX實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合展示了5G測(cè)試解決方案的演示套件。兩臺(tái)控制器通過(guò)5G鏈路連接。其中一臺(tái)控制器用來(lái)控制倍福的XTS磁懸浮輸送系統(tǒng)，它被用作用戶可以手動(dòng)操控的無(wú)源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；XTS動(dòng)子的實(shí)際位置作為參考值發(fā)送給第二臺(tái)控制器。第二臺(tái)控制器與第一臺(tái)控制器同步，復(fù)制操縱器的手動(dòng)運(yùn)動(dòng)。控制器的NC循環(huán)時(shí)間為2ms，5G交換機(jī)之間的時(shí)延為1.1ms（URLLC）。控制器運(yùn)行EtherCATAutomationProtocol（EAP）協(xié)議，使用二層以太網(wǎng)幀（無(wú)線交換）。與實(shí)時(shí)流類似，第二臺(tái)控制器將IP視頻流式傳輸給第一臺(tái)控制器，以監(jiān)測(cè)復(fù)制的運(yùn)動(dòng)（eMBB）。

3GPP工作組日前正在制定5G移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，并會(huì)在即將于2019年底完成的第16版中對(duì)這些功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后由制造商在其芯片和設(shè)備接口設(shè)計(jì)中實(shí)施。

為確保電信部門(mén)正確理解并滿足工廠自動(dòng)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(lái)自運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）和信息通信技術(shù)（ICT）領(lǐng)域中的機(jī)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，組成了5G產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟（5G-ACIA），該聯(lián)盟旨在增進(jìn)成員間的相互了解，圍繞5G對(duì)相關(guān)技術(shù)、監(jiān)管和經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行評(píng)估，推動(dòng)5G在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(píng)估涵蓋了從I/O級(jí)到基于云的控制的自動(dòng)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(luò)結(jié)構(gòu)中—在交換機(jī)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(lái)，5G很可能成為實(shí)現(xiàn)機(jī)械或其它高級(jí)應(yīng)用中涉及到的邊緣控制、設(shè)備間通信以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的切實(shí)可行的無(wú)線技術(shù)。華為和倍福在這兩個(gè)基本互補(bǔ)的領(lǐng)域都擁有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以創(chuàng)造讓各自市場(chǎng)細(xì)分受益的協(xié)同效應(yīng)。在這些協(xié)作舉措中，重要的是，要評(píng)估IT技術(shù)為工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)的具體好處。最終，時(shí)間會(huì)告訴我們，哪些技術(shù)實(shí)際上已被推廣到客戶群中。