只为更炫酷的自动化—— EtherCAT与TSN的最佳匹配

JZGKCHINA

工控技术分享平台

从蒸汽机开始，自动化彻底改变了人类的生产方式，逐渐进入到人类社会的各个领域，可以说，在整个现代化历史进程中，自动化都扮演着极其重要的角色。未来已来，自动化正在被赋予更多的内涵、更强的使命。

剑指工控有幸在“高质、高效、安全的智能制造”为主题的第十七届“工业自动化与标准化”研讨会上，采访了EtherCAT技术协会中国区代表范斌女士，共同探讨了自动化发展新征程中集成了TSN的EtherCAT 将带来的惊喜。

TSN是什么？

在未来的工业网络应用中，同一个网络中需要集成不同类型的设备和不同类型的通信，这些在异构网络中的设备之间进行实时性数据交互的需求正是时间敏感网络(Time-Sensitive Networking，简称TSN)的用武之地。

范斌女士表示：“与传统的基于‘Best effort’方式的普通以太网相比，TSN具有非常显著的优势：在 IEEE 802.1环境中，TSN可以尽可能快地转发数据帧，并且不会因拥堵而导致丢帧。它的原理是TSN会预留部分带宽为‘Stream’(数据高速通道)，用于传输对时间要求更高的通讯，剩余的带宽用于普通的数据传输(“延迟通道”)，从而实现实时数据和普通的以太网数据同步传输的需求。”

TSN卓越的优势，在各行各业都相当的引人瞩目，比如：体育赛事的现场视频传输、大型音频设施、增强现实（AR）、车载电子设备等领域中，TSN都能够在不关闭整个系统的情况下快速更改数据流，并且，由于布线减少而得以大大提高从模拟设备切换到以太网或无线的灵活性，而非常精确的时间同步，将极大的减少了丢帧率以及提高系统对故障做出快速反应的可能性。

同时，范斌女士也指出：“TSN不是一种现场总线技术，它是一系列标准，并且这一系列标准尚未完全发布。”

EtherCAT 与 TSN 的最佳匹配

TSN的实时性是通过在TSN中建立数据高速通道实现的。那么，对于现场层的数据通讯，通常是节点数众多，响应要求快，周期性循环的通讯，如果直接通过TSN连接带有n个节点的系统，就要求建立n个数据高速通道。这显然会影响其他类型的数据通讯，并且在网络配置方面也是不切实际的。

范斌女士表示：“TSN真正的用意在于异构网络的搭建，且TSN的两个主要性能缺陷是无法改变的，即针对小数据量的以太网帧处理效率以及复杂耗时的转发过程。TSN只是一个基本的通信标准且不提供应用层。”

而为了将 EtherCAT 的应用领域进一步扩展到异构网络环境中，EtherCAT 技术协会(ETG)将时间敏感网络(TSN)技术补充到 了EtherCAT 中。这种补充方式并不是将两种技术混合，而是定义了为使用 TSN 高速通道所做的适配性改变——“EtherCAT TSN 通信行规”。该行规没有选择特定的TSN元素，为主站和从站网段适配器上转发的TSN高速通道提供所有选项。只需要主站系统提供商集成高速通道功能，系统集成商选择适用于TSN-EtherCAT网段适配的组件即可。并且，通信行规的方式不会改变TSN 标准。由于 TSN 在 IEEE 的规范尚未完全完成，因此这种方式能够更好地简化对最终版 TSN 技术规范的适用性。

ETG 一直积极参与 IEEE 委员会的工作，从最初期就积极支持 TSN 的研发，并正在与 IEEE 802.1 工作组协商相关规范。因而，ETG 能确保从官方渠道及时获得尚未确立的 IEEE 802.1 规范，从而使 EtherCAT 利用 TSN 的扩展技术几乎可以与 TSN 的研发保持同步。

范斌女士表示：“该方案下，通过TSN，多个工业控制器都可以通过以太网网络与多个不同的 EtherCAT 网段进行实时通讯。此过程中，无需对EtherCAT 从站设备进行更改，即：所有具有高性能特性的 EtherCAT 设备协议将被完整保留。同时，TSN 还扩展了用于控制之间通讯的 EtherCAT 自动化协议(EAP)，从而使得EtherCAT 在控制层上更具有确定性。并且，通信行规的方案也将帮助自动化组件的制造商、机器制造商以及技术专家更为合理的使用 TSN。”

更炫酷的自动化

随着科技的发展，今天的自动化应用呈现越来越复杂、越来越庞杂的态势，一个系统、一个网络中一定会有各种各样设备的互相协作与集成，以及越来越多的视频、音频、图像及各种传感器的输入输出与控制系统紧密结合的全新控制要求，尤其在一些炫酷的自动控制系统的应用中，比如，舞台上炫酷的艺术渲染的控制系统，汽车的无人驾驶系统等。

范斌女士解释道，在异构网络中涉及到机器控制(多节点、高速响应、硬实时性要求)时，EtherCAT和TSN可以这样集成使用：采用EtherCAT网段，每一个EtherCAT网段(含有多个EtherCAT节点设备)，通过TSN交换机建立的一个高速数据通道与主站相连。而基于共享帧方式的EtherCAT由于网络中多个从站设备的数据可以在同一个数据帧中传输，EtherCAT连到TSN网络中后，TSN配置将更加容易并高效。整个EtherCAT网段仅需要设置一个TSN的“高速通道”，而且保证了在异构网络中EtherCAT网段中所有设备与其他类型设备及EtherCAT主站的实时通讯。

范斌女士表示：“EtherCAT和TSN的集成在保障了设备本身控制性能的同时，能够更简化、更高效的实现更多复杂的功能，势必将给自动化未来的发展带来更多的可能。”

EtherCAT 与 TSN 的集成堪称“两全其美”，未来已来，EtherCAT 已经为未来做好了充分准备。