ระบบเครือข่ายที่ไวต่อเวลา (TSN) คืออะไร

Time Sensitive Networking (TSN) เป็นการอัปเดตโปรโตคอลอีเทอร์เน็ต IEEE ที่เพิ่มการซิงโครไนซ์เวลามาตรฐานและการสื่อสารเครือข่ายที่กําหนดเพื่อตอบสนองความต้องการของระบบควบคุมโดยใช้เทคโนโลยีอีเทอร์เน็ต TSN ช่วยให้เครือข่ายการดําเนินงานสามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของอีเธอร์เน็ตแบบดั้งเดิมในขณะที่ตอบสนองความต้องการด้านเวลาและการควบคุมของแอปพลิเคชันการควบคุมและการวัด ด้วยการรวมข้อมูลที่มีความสําคัญต่อเวลาและความพยายามสูงสุดภายในอีเทอร์เน็ตมาตรฐาน TSN ช่วยประหยัดต้นทุนและปรับปรุงการทํางานร่วมกัน ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานอีเทอร์เน็ต TSN ยังได้รับประโยชน์จากการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านความปลอดภัยของอีเทอร์เน็ต แบนด์วิดท์ และความสามารถอื่นๆ และให้ข้อได้เปรียบมากมายเหนือโปรโตคอลอีเทอร์เน็ตมาตรฐานและแบบพิเศษในปัจจุบัน

NI, Intel, Cisco และอื่น ๆ กําลังร่วมมือกันในองค์กรต่างๆ เช่น IEEE, Avnu Alliance และ Industrial Internet Consortium (IIC) เพื่อกําหนด กําหนดมาตรฐาน และขับเคลื่อนการนําเทคโนโลยีใหม่นี้มาใช้

TSN ไม่ใช่โปรโตคอล เป็นส่วนหนึ่งของมาตรฐานอีเทอร์เน็ต โปรโตคอลเช่น OPC UA อาจถูกนําไปใช้บน TSN

แอปพลิเคชันเป้าหมายสําหรับ TSN คืออะไร?

TSN ให้การซิงโครไนซ์เวลาแบบกระจายและการสื่อสารแบบกําหนดโดยใช้เครือข่ายอีเทอร์เน็ตมาตรฐาน  ด้วยเหตุนี้ แอปพลิเคชันใดๆ ที่ต้องการการวัดหรือการควบคุมแบบกระจายจะได้รับประโยชน์จาก TSN ลูกค้าใช้ TSN สําหรับการวัดแบบซิงโครไนซ์แบบกระจายอย่างง่ายการบันทึกข้อมูลแบบกระจายแบบฝังความก้าวหน้าในการตัดเฉือนควบคุมเชิงตัวเลขด้วยคอมพิวเตอร์รุ่นต่อไปเครื่องประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์แบบใหม่และการวิจัยโครงข่ายไฟฟ้าในอนาคต อุตสาหกรรมและการใช้งานอื่น ๆ อีกสองสามรายการ ได้แก่ :

เซลล์ทดสอบและการตรวจสอบแบบกระจาย

การใช้งานการวัดจํานวนมากต้องการการอ่านค่าเซ็นเซอร์จากหลายตําแหน่ง เพื่อสนับสนุนขั้นตอนการวิเคราะห์ข้อมูลจากเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะต้องมีความสัมพันธ์กันในเวลา  การใช้งานเช่นการทดสอบโครงสร้างจําเป็นต้องเชื่อมโยงข้อมูลจากสเตรนเกจทุกตัวเพื่อให้ได้การแสดงโครงสร้างที่ถูกต้อง  ในทํานองเดียวกัน ในแอปพลิเคชันการตรวจสอบแบบกระจาย เช่น การตรวจสอบการไหลหรือการสั่นสะเทือนแบบบิด อาจจําเป็นต้องมีการซิงโครไนซ์การวัด เพื่อให้การวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของเครื่องจักรสามารถใช้ข้อมูลได้อย่างเหมาะสม  ในกรณีการใช้งานเหล่านี้ ลูกค้าอาจใช้เฉพาะการซิงโครไนซ์เวลาเท่านั้น และไม่ใช่ความสามารถในการสื่อสารที่กําหนด  สิ่งนี้ได้รับการสนับสนุนอย่างเต็มที่ในผลิตภัณฑ์ NI TSN ทั้งหมด (ผลิตภัณฑ์ TSN ทั้งหมดจาก NI รองรับการซิงโครไนซ์เวลา)

การควบคุมเครื่องจักร

ระบบเหล่านี้ต้องการการวัดและการดําเนินการที่ประสานกันโดยใช้เครือข่ายควบคุม เครือข่ายควบคุมจําเป็นต้องยอมรับอินพุตจากเซ็นเซอร์ ดําเนินการประมวลผลลูปควบคุม และเริ่มการดําเนินการเพื่อตอบสนอง  การกระทําดังกล่าว (เช่น การควบคุมเครื่องจักรอุตสาหกรรมในเครือข่ายหรือสายพานลําเลียง) มีความอ่อนไหวต่อเวลาสูง พวกเขาต้องการความล่าช้าของเครือข่ายที่กําหนดด้วยการสุ่มตัวอย่างอินพุตและเอาต์พุตที่มีความกระวนกระวายใจต่ํา เพื่อสร้างระบบควบคุมที่ทํางานได้อย่างคาดเดาได้ ในอดีตพวกเขาใช้ฟิลด์บัสที่เป็นกรรมสิทธิ์ แต่มีข้อจํากัดทางเทคนิคและธุรกิจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการปรับขนาด แบนด์วิดท์ ความเป็นกลางของผู้ขาย และความยืดหยุ่น  การซิงโครไนซ์เวลาสําหรับ IO และความสัมพันธ์ของเหตุการณ์ได้รับการสนับสนุนอย่างเต็มที่ในข้อเสนอทั้งหมดของเราบน TSN (ผลิตภัณฑ์ TSN ทั้งหมดจาก NI รองรับการซิงโครไนซ์เวลา)

ฮาร์ดแวร์ในลูป (HIL)

ฮาร์ดแวร์ใน Loop สามารถดูได้ว่าเป็นการผสมผสานระหว่างแอปพลิเคชันควบคุมและเซลล์ทดสอบ พวกเขามักต้องการการควบคุมวงปิดแบบกระจายรวมถึงการวัดที่ซิงโครไนซ์อย่างแน่นหนา

เครือข่ายยานยนต์

ผู้ผลิตรถยนต์กําลังโยกย้ายบัสในรถยนต์ไปยังอีเทอร์เน็ตเพื่อให้แบนด์วิดท์ที่สูงขึ้นและการตอบสนองที่เร็วขึ้น สิ่งนี้เริ่มต้นด้วยอีเธอร์เน็ตสําหรับสาระบันเทิง (โดยใช้ AVB – TSN รุ่นแรก)  สิ่งนี้ส่วนใหญ่มีเป้าหมายเพื่อแทนที่ MOST  ตอนนี้ผู้ผลิตรถยนต์กําลังเปลี่ยนไปใช้อีเทอร์เน็ต (พร้อม TSN) สําหรับการเชื่อมต่อ ECU ของรถยนต์  แบนด์วิดท์เป็นสิ่งจําเป็นเพื่อรองรับการดําเนินการ ADAS  สิ่งนี้เปิดใช้งานฟังก์ชันที่ไม่สามารถทําได้ด้วยเทคโนโลยีก่อนหน้านี้ แต่จะแทนที่ FlexRay และอยู่ร่วมกับ CAN/LIN  การบรรจบกันของข้อมูลหลายประเภท (การควบคุม สาระบันเทิง ฯลฯ) มีความสําคัญในสภาพแวดล้อม เช่น ยานพาหนะ ซึ่งผู้ผลิตรถยนต์ต้องการใช้โครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายเดียวสําหรับการสื่อสารทั้งหมด เช่น ระบบควบคุมสภาพอากาศ ระบบสาระบันเทิง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของตัวถัง หรือระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ NI กําลังติดตามการพัฒนานี้เพื่อมีอิทธิพลต่อแผนงานผลิตภัณฑ์ของเราเพื่อรองรับการทดสอบยานยนต์และการใช้งาน RCP

เครือข่ายสื่อ

แม้ว่าจะไม่ใช่แอปพลิเคชันเป้าหมายสําหรับผลิตภัณฑ์ NI แต่ก็เป็นแอปพลิเคชันทางการตลาดที่นํา TSN มาใช้ เครือข่ายที่ถ่ายทอดข้อมูลเสียงและวิดีโอจําเป็นต้องปฏิบัติตามกฎเวลาที่เข้มงวด หากแพ็กเก็ตเสียงหรือวิดีโอมาถึงปลายทางล่าช้าอุปกรณ์รับ (เช่นหน้าจอวิดีโอหรือลําโพง) จะไม่มีข้อมูลที่จะนําเสนอ  ในทางปฏิบัตินี่อาจหมายถึงเฟรมวิดีโอที่หลุดสิ่งประดิษฐ์เสียงที่ไม่ต้องการเช่นเสียงป๊อปหรือความเงียบ  ยิ่งไปกว่านั้นเครือข่ายดังกล่าวต้องการเวลาแฝงที่คาดการณ์ได้ทําให้สามารถนําเสนอข้อมูลเสียงจากลําโพงที่แตกต่างกันด้วยความสัมพันธ์ของเฟสที่ทราบและการซิงโครไนซ์ระหว่างวิดีโอและสตรีมเสียงที่เกี่ยวข้อง (เช่นลิปซิงค์)

TSN พร้อมสําหรับการสมัครของฉันแล้วหรือยัง

แม้ว่ามาตรฐานหลักสําหรับ TSN จะเสร็จสมบูรณ์ แต่การพัฒนาเครื่องมือเพื่อให้ TSN ใช้งานง่ายยังคงอยู่ในระหว่างการพัฒนาจากทั้ง NI และจากพันธมิตรหลัก ดังนั้นความพร้อมในการสมัครของ TSN จึงขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

ใช่ - หากแอปพลิเคชันของคุณต้องการการซิงโครไนซ์โมดูล C Series ในหลายตําแหน่ง แชสซี CompactDAQ และอุปกรณ์ FieldDAQ ที่ใหม่กว่าสามารถให้การซิงโครไนซ์การวัดที่ง่ายและเชื่อถือได้ สวิตช์ในตัวทําให้การติดตั้งและการกําหนดค่าเครือข่ายเป็นไปโดยอัตโนมัติสําหรับระบบพฤษภาคม ตัวอย่างแอปพลิเคชันบางส่วนในพื้นที่นี้ ได้แก่ DAQ จํานวนช่องสัญญาณสูง การทดสอบส่วนประกอบขนาดใหญ่ การทดสอบโครงสร้าง และการบันทึกระยะไกล

บางที - หากคุณต้องการการซิงโครไนซ์และการสื่อสารแบบกําหนด (โดยปกติจะเป็นแอปพลิเคชันควบคุม)  ผลิตภัณฑ์ TSN จาก NI และพันธมิตรหลักอย่าง Cisco เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่  แม้ว่าจะมีความน่าเชื่อถือและสามารถปรับใช้ได้ แต่การตั้งค่าเครือข่ายยังคงซับซ้อน และเรายังคงเพิ่มคุณสมบัติและการสนับสนุนแพลตฟอร์ม  นอกจากนี้ ระบบนิเวศของอุปกรณ์และแอคทูเอเตอร์ของบุคคลที่สามบน TSN ยังคงพัฒนาอยู่  คุณควรพิจารณา TSN สําหรับแอปพลิเคชันเช่น:

1. การกําหนดมาตรฐานระยะยาว – หากคุณกําลังตัดสินใจเกี่ยวกับความพยายามในการกําหนดมาตรฐานในระยะยาว คุณควรตรวจสอบ TSN  ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบมาตรฐานของอีเธอร์เน็ต TSN กําลังประสบกับการนําไปใช้อย่างรวดเร็วและจะกลายเป็นคุณสมบัติมาตรฐานทั่วทั้งอุตสาหกรรม  เราขอแนะนําให้ทุกคนที่ทํางานเกี่ยวกับมาตรฐานการสื่อสารควรดูว่าความสามารถของ TSN จะเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบอย่างไร
2. โซลูชันที่รองรับอนาคต – ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของอีเธอร์เน็ตมาตรฐาน ผลิตภัณฑ์ TSN ทั้งหมดเป็นซูเปอร์เซ็ตของรุ่น ก่อนหน้า ซึ่งรวมถึงแชสซี CompactDAQ ที่ซิงโครไนซ์และคอนโทรลเลอร์ CompactRIO ที่เปิดใช้งาน TSN ซึ่งเป็นการทดแทน cRIO-9035 และ cRIO-9039 ทั้งหมดนี้สามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องเปิดใช้งานคุณสมบัติ TSN หากคุณเลือก แต่สามารถให้ความสามารถเหล่านี้ในการอัปเดตแอปพลิเคชันในอนาคต
   
   หมายเหตุ cRIO-9035/9039 ที่มีการซิงโครไนซ์ต้องใช้ LabVIEW 2016 หรือใหม่กว่า และแอปพลิเคชัน LabVIEW FPGA จะต้องได้รับการคอมไพล์ใหม่

3. แอปพลิเคชันหลายตัวควบคุมที่ท้าทาย – ฟิลด์บัสแบบดั้งเดิมไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรองรับคอนโทรลเลอร์หลายตัวที่สื่อสารในลักษณะที่กําหนด และการพยายามใช้ฟิลด์บัสหรือหน่วยความจําสะท้อนแสงอาจเป็นเรื่องยากและมีราคาแพงในทางเทคนิค TSN ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของอีเทอร์เน็ตมาตรฐานมีความยืดหยุ่นมากกว่ามากและสามารถรองรับการสื่อสารระหว่างคอนโทรลเลอร์กับคอนโทรลเลอร์ได้อย่างเหมาะสม

TSN มีประโยชน์อย่างไรเมื่อเทียบกับวิธีการที่มีอยู่?

การปรับปรุงอีเทอร์เน็ตมาตรฐานผ่านการรองรับ Time Sensitive Networking จะมอบความสามารถใหม่ที่จะเป็นประโยชน์ต่อการใช้งานในอุตสาหกรรม:

1. มาตรฐานแบบเปิดผ่าน IEEE 802: สิ่งนี้ทําให้มั่นใจได้ถึงความเป็นกลางของผู้ขายและการลงทุนอย่างต่อเนื่องโดยผู้ขายซิลิกอนและโครงสร้างพื้นฐาน
2. การบรรจบกัน: Industrial IoT กําหนดให้ส่วนใดส่วนหนึ่งของระบบแบบกระจายสามารถเข้าถึงข้อมูลได้ เนื่องจากระบบ IIoT ส่วนใหญ่มีอยู่ในไอที (เซิร์ฟเวอร์และระบบคลาวด์) จึงทําให้เกิดความต้องการเครือข่ายที่หลอมรวมและซิงโครไนซ์บนบัสแบบครบวงจร ด้วยเครือข่ายที่มีอยู่ที่ใช้บัสที่แตกต่างกันจึงเป็นเรื่องยากที่จะรับข้อมูลไปยังระบบไอทีด้วยวิธีที่ยืดหยุ่นและปรับขนาดได้
3. ปรับปรุงการใช้สินทรัพย์: เวลาทํางานของการผลิตสามารถเพิ่มขึ้นได้ผ่านการตรวจสอบระบบที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและการส่งมอบสถานะและเหตุการณ์ของระบบแบบเรียลไทม์
4. ลดต้นทุนการใช้งาน: TSN สัญญาว่าจะลดต้นทุนการใช้งานและลดความซับซ้อนของโครงสร้างพื้นฐานเครือข่าย เหตุผลหนึ่งก็คืออีเธอร์เน็ตถูกใช้อย่างกว้างขวางในตลาดต่างๆ มากมาย  สิ่งนี้ทําให้มั่นใจได้ถึงความพร้อมใช้งานของซิลิกอนในระยะยาว การอัปเดตเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง และต้นทุนการพัฒนาที่ตัดจําหน่าย
5. วงจรการพัฒนาที่ลดลง: ความสามารถในการประกอบระบบที่สูงขึ้นช่วยให้สามารถอัปเกรดส่วนประกอบย่อยได้ง่ายขึ้นในขณะที่ยังคงรักษาระบบย่อยที่มีอยู่ไว้
6. เพิ่มความยืดหยุ่น: ความสามารถในการรวมคุณสมบัติและฟังก์ชันใหม่เพื่อเพิ่มระบบที่มีอยู่
7. ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น: เครือข่ายการควบคุมในอดีตมีการรักษาความปลอดภัยในตัวเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย สิ่งนี้สร้างช่องโหว่ขนาดใหญ่ดังที่แสดงให้เห็นในกรณีการประชาสัมพันธ์สูง เช่น Stuxnet และการแฮ็กในรถยนต์  เนื่องจาก TSN ใช้อีเธอร์เน็ตมาตรฐาน กลไกการรักษาความปลอดภัยที่ปรับใช้แล้วในเครือข่ายไอทีจึงสามารถนําไปใช้กับเครือข่ายควบคุมด้วย TSN ได้

TSN แตกต่างจาก IEEE 1588 อย่างไร

IEEE 1588 มุ่งเน้นไปที่การซิงโครไนซ์เวลา ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของข้อกําหนดอีเทอร์เน็ต แต่เป็นมาตรฐานแยกต่างหาก มาตรฐาน IEEE 1588 มีชุดตัวเลือก มีหลายโปรไฟล์ใน 1588 ซึ่งแต่ละโปรไฟล์จะเลือกตัวเลือกที่จะใช้ สิ่งนี้ส่งผลต่อฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่จําเป็นในการสนับสนุนโปรไฟล์ และทําให้ความเข้ากันไม่ได้ระหว่างโปรไฟล์ ตัวอย่างเช่น โปรไฟล์ที่ใช้โดย LXI นั้นแตกต่างจากโปรไฟล์ที่ใช้โดย Siemens ซึ่งแตกต่างจากโปรไฟล์ที่ใช้โดยอุตสาหกรรมไฟฟ้า ซึ่งแตกต่างจากโปรไฟล์ที่ใช้โดยโทรคมนาคม การสนับสนุนสําหรับแต่ละโปรไฟล์เหล่านี้ต้องใช้สวิตช์เครือข่ายและอุปกรณ์ปลายทางที่แตกต่างกันTSN เป็นชุดคุณสมบัติที่เพิ่มเข้ามาในมาตรฐานอีเทอร์เน็ต (IEEE 802) ซึ่งรวมถึง:•กลไกสําหรับการซิงโครไนซ์เวลา (IEEE 802.1AS)•กลไกสําหรับการใช้เวลาประสานงานเพื่อกําหนดเวลาการรับส่งข้อมูล (IEEE 802.1 Qbv)•กลไกในการรับรองการกําหนดค่าระบบที่เรียบง่าย / ปรับขนาดได้ (IEEE 802.1 Qcc)เมื่อกลุ่ม IEEE 802 กําลังตัดสินใจว่าจะให้การซิงโครไนซ์เวลาอย่างไร อย่างไรก็ตาม พวกเขาจําเป็นต้องเลือกและกําหนดมาตรฐานโปรไฟล์หนึ่งโปรไฟล์เพื่อให้ซิลิกอนและมาตรฐานอื่นๆ สามารถสร้างขึ้นได้อย่างเหมาะสมตามเวลาที่กําหนด ในช่วงเวลาที่ความพยายามนี้เริ่มต้นกลุ่ม IEEE 1588 ไม่ได้ประชุมอย่างแข็งขัน IEEE 802 เลือกโปรไฟล์และเพิ่มลงในงานมาตรฐานโดยตรงเพื่อให้มั่นใจในการลงทุนและการควบคุมที่เหมาะสม นี่คือมาตรฐาน IEEE 802.1ASวันนี้กลุ่ม IEEE 1588 กลับมาใช้งานได้อีกครั้ง และกลุ่ม IEEE 802 ได้ทํางานอย่างใกล้ชิดเพื่อจัดตําแหน่ง IEEE 802.1AS เป็นโปรไฟล์ของ 1588 เป็นโปรไฟล์ที่จะใช้สําหรับ TSN และมีประโยชน์ด้านประสิทธิภาพและความสามารถในการปรับขนาดเหนือโปรไฟล์อื่นๆ