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作者：倍福資深控制系統架構師兼國際大客戶管理高級經理GuidoBeckmann博士和倍福控制系統和通信架構高級經理ThomasRettig

安全、符合標準的數據和信息交換—不僅是在設備內和設備間、機器內和機器間以及服務內和服務間，還是在生產線內，亦或是生產設備間—都是目前工業4.0和物聯網方案所面臨的核心挑戰。而基于PC的控制技術采用的是開放式體系架構，因此是應對這一挑戰的理想選擇。作為一家技術驅動型公司，倍福一直在不斷地探索能夠進一步推動工業自動化技術發展的新途徑，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、路由器技術和5G移動通信技術領域展開全面合作。

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實施方面一直發揮著先鋒模范作用，因此用戶可以從基于PC的控制系統并連帶有第三方系統的互操作技術中獲益。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場層的集成性和互操作性。OPCUA數據交互標準為互操作性提供了進一步的支持，實現了在機器間交互和垂直業務過程中獨立于供應商和平臺的通信。

工業自動化涉及到將設備和生產數據從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一、高確定性及低延遲的通信系統是實現高級生產控制任務的關鍵，而這也是倍福正在評估下一代LAN、WAN和移動通信技術的原因所在。

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，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純粹是為了在異構網絡上實現實時數據路由功能。EtherCAT通信協議本身保持不變，允許無縫集成現有的EtherCAT網段以及繼續使用各種可用的EtherCAT設備。

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

圖2：交換和路由技術

迄今為止，作為合作的一部分，雙方已經審查了三種新的通信技術：

–X-Ethernet：IEEE802.3以太網標準規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，數據流在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的網絡（第3層）上預留帶寬，可以實現小于50μs的確定性延遲

–5G無線技術：5G移動通信技術不僅可以提高數據吞吐量，還可以降低延遲（在1ms范圍內），實現更可靠的數據傳輸。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的評估結果，以及它們如何映射到ISO/OSI模型中。時間敏感網絡（TSN）技術在這里也適用。EtherCAT技術協會（縮寫為ETG）在白皮書中描述了EtherCAT在TSN網絡中的使用方法，同時，ETG也設定了相關規范。

技術研究：及早識別和評估創新潛力

–技術評估：對于倍福來說，重要的是要盡早探索信息和通信技術（ICT）領域的創新技術和產品能否以及在多大程度上提供可以在整個通信鏈中實現改進的潛力（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研究工作

–EtherCAT是一款功能非常強大的工業以太網通信系統，非常適合與華為面向5G承載創新技術X-Ethernet和確定性IP解決方案以及TSN等異構網絡技術配對

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

–與TSN相比，確定性IP具有實時路由網絡的優點，能夠支持生產大廳、制造單元和子網之間的高效通信

–評估5G無線技術，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技術的性能潛力

圖3：X-Ethernet演示設置

X-Ethernet：1.5層交換技術

X-Ethernet與長度固定的位塊協作，這些位塊在物理編碼子層（PCS）上從一個端口傳輸到另一個端口。根據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，管道以數據流所需的數據傳輸速率配置，無需在查找MAC/IP數據表的基礎上進行存儲轉發或做出決策；輸出緩沖區不會發生擁塞。

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，經過兩個X-Ethernet交換機，直到EtherCAT網段。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數據流量平行。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。研究發現，通過這種簡單的設置，無需通過主機進一步進行修改，就可以通過網絡傳輸標準的EtherCAT報文，然后在標準的EtherCAT網段上處理這些報文。PLC應用的循環時間達到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網段上的分布式時鐘實現時間同步：X-Ethernet網絡前后的兩個切換輸出的時間抖動和同時性都是<<100ns，X-Ethernet網絡在性能表現上就像一根長電纜。

華為近日提出并標準化的5G承載技術X-Ethernet是一項可以用于涉及到在跨異構網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。數據流（即管道）易于配置，并具有出色的實時性能。遠程控制系統可以通過網絡與一個或多個EtherCAT網段（即設備單元）實時交換數據，同樣也可以在高動態驅動應用條件下實現閉環控制。

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。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據的邊緣控制器，或者一臺位于服務器室內的設備控制器，遠離其控制的設備。

在邊緣服務器中進行運算，以便根據通過設備監測獲取的實際過程值確定性響應時間來創建一個“數字雙胞胎”設備模型。必須以循環速度將設備或系統的實際值發送給邊緣服務器，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送給設備，便于對其設置進行微調。

確定性IP就是最佳解決方案。DIP作為已被ETSI（歐洲電信標準化協會）認可的規范，它可以在基于IP的網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的時延來移動數據。每個路由器都能確保在最短的時間內確定流量分配優先級。

也可以根據需要斷開系統和設備連接，然后重新連接，以建立生產靈活性。當網絡連接恢復時，它們可以再次發出請求，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協議也適用于IP層，因為根據EtherCAT規范，每臺EtherCAT設備都可以處理嵌入在UDP/IP數據包中的EtherCAT報文。這在EtherCAT規范中被稱為開放模式（OpenMode），只有第一臺與EtherCAT網段中的DIP路由器連接的設備才能夠評估IP協議。

例如，倍福的EtherCATTSN耦合器EK1000可用于實現此目的（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口，其中一個口用于連接耦合器和以太網網絡。EK1000以最小的時延將幀從以太網口傳輸到EtherCAT口。EtherCAT網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耦合器經由DIP網絡連接EtherCAT網段，以運行循環時間為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報文被發送給DIP網絡并通過EK1000接收，EK1000將報文直接傳輸給EtherCAT網段。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。

對頻繁過程重構有很大依賴的柔性生產需要配置起來同樣靈活的通信網絡。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，則同樣適用—例如，由于IT要求，或在工廠的生產單元或生產大廳之間使用WAN鏈路。

5G無線技術：下一代移動通信技術第五代

（5G）無線系統經常被認為是與工業4.0和物聯網（IoT）相關的移動通信的關鍵技術。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，確保數據傳輸的高可靠性—即使在一個較小區域內用戶密度很高。這些功能在現如今的有線網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成為自動化行業中一個有趣的命題。

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

所有這些功能很難同時提供，因為從技術角度來看，這些功能是互不相干的。例如，狀態監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），而移動機器人強調的是通過一臺控制器以極快的循環速度（URLLC）可靠地交換新的實際值和目標值。但是，被稱為“網絡切片”的新概念讓5G可以在網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絡或虛擬網絡。

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

在2018年漢諾威工業博覽會上，倍福與華為WirelessX實驗室聯合展示了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，它被用作用戶可以手動操控的無源驅動系統；XTS動子的實際位置作為參考值發送給第二臺控制器。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。控制器的NC循環時間為2ms，5G交換機之間的時延為1.1ms（URLLC）。控制器運行EtherCATAutomationProtocol（EAP）協議，使用二層以太網幀（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，并確保垂直行業了解和充分利用5G功能，相關各方需要通力合作，密切配合。近日，來自運營技術（OT）和信息通信技術（ICT）領域中的機構聯合起來，組成了5G產業自動化聯盟（5G-ACIA），該聯盟旨在增進成員間的相互了解，圍繞5G對相關技術、監管和經濟方面進行評估，推動5G在工業生產領域的落地。倍福是該聯盟的創始成員之一。

圖6：智慧工廠內外的通信要求

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的潛力。倍福與華為合作，共同探索如何將成熟的EtherCAT技術整合到異構網絡結構中—在交換機層的以太網子網中，以及子網和路由層之間。展望未來，5G很可能成為實現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監測的切實可行的無線技術。華為和倍福在這兩個基本互補的領域都擁有扎實的專業知識和豐富的實踐經驗，可以創造讓各自市場細分受益的協同效應。在這些協作舉措中，重要的是，要評估IT技術為工業自動化帶來的具體好處。最終，時間會告訴我們，哪些技術實際上已被推廣到客戶群中。