基于 TSN 的工業多業務共網傳輸解決方案

l                      網絡復雜性高： 布線困難，維護成本巨大。

l                      數據孤島嚴重： 生產數據、視覺數據與管理數據無法實時交互。

l                      確定性難以保證： 在傳統以太網中，大流量視頻會瞬間擠占帶寬，導致關鍵控制指令產生隨機抖動或丟包。

2. 方案總體架構

面對傳統工業IT/OT網絡物理隔離、多專用獨立網絡帶來的網絡架構復雜、數據割裂、傳輸確定性不足等一系列行業痛點與業務挑戰，上海兆越通訊技術有限公司基于IEEE 802.1 TSN協議族，推出以Cronet TSN-4812為代表的TSN系列硬件基座一體化工業多業務共網傳輸解決方案。本方案搭建“工廠管理層—車間控制層—現場執行層”三級扁平化網絡架構，統一以工業TSN網絡作為全場景骨干承載網絡，實現控制、視覺、采集多類差異化業務流量同網無損傳輸。

2.1 工廠管理層(IT 決策)

職能：負責生產計劃下發、質量溯源及全局狀態監控。

管理大腦：部署CNC(中央網絡控制器)，負責全網拓撲識別、路徑規劃及TSN時間片(GCL)的統一計算與下發。

2.2 車間控制層(TSN 骨干)

拓撲結構：采用工業TSN交換機組成的環網。

核心特性：利用802.1AS (gPTP)協議實現全網納秒級同步。環網結構配合802.1CB (FRER)協議，為關鍵業務提供物理路徑冗余，實現0ms故障切換。

2.3 現場執行層(多業務接入)

根據業務需求的不同，將現場業務劃分為三大類流量等級：

大帶寬流(視頻監控、機器視覺)： 追求高吞吐量。

低時延流(遠程操控、機械臂控制、AGV)： 追求微秒級抖動與確定性時延。

高可靠流(遠程運維、傳感器數據采集)： 追求零丟包與持續連接。

3. 核心技術實現路徑

3.1 流量識別與分流

交換機入端口通過 802.1Qci (PSFP) 協議對進入的流量進行識別：

l                      視覺數據被映射到低優先級隊列(隊列 0-3)。

l                      AGV 與操控指令被映射到最高優先級隊列(隊列 6-7)。

l                      運維數據映射到中優先級隊列(隊列 4-5)。

3.2 確定性調度(解決帶寬碰撞)

采用802.1Qbv (TAS)時間感知整形器，將車間環網的帶寬劃分為周期性時間片：

l                      專用控制時隙：周期開始的前T1時間內，閘門僅允許隊列7(低時延流)通行，此時視頻數據在緩存中等待，確保鏈路絕對排空，消除抖動。

l                      共享傳輸時隙：在T2時間內，閘門開啟隊列0-5，允許視頻和采集數據傳輸，充分利用帶寬。

l                      保護帶機制：在時隙切換前設置保護帶，防止未完成的視頻大包占用控制流的時間。

3.3 幀搶占(優化大包阻塞)

啟用802.1Qbu (Frame Preemption)。當正在發送機器視覺的長報文時，若遠程操控的急迫指令到達，硬件將立刻“截斷”視覺包，優先插入操控指令，待完成后恢復視覺包傳輸，進一步壓低關鍵業務時延。

3.4 路徑冗余與消除(確保高可靠)

針對遠程運維和關鍵采集數據，啟用 802.1CB。報文在進入車間環網時被一分為二，分別沿環網順時針和逆時針傳輸。接收端根據序列號自動丟棄晚到的重復包，確保即便某一處環網物理斷開，數據采集也始終不間斷。

4. 方案價值與優勢

一網到底，多流合一： 在同一根網線上同時傳輸控制指令(OT)與超清視頻(IT)，帶寬利用率提升 50% 以上，布線成本降低 40%。

極度確定的控制時延： 關鍵業務端到端時延維持在微秒級，抖動降至納秒級，有效支撐 AGV 高速避障與機械臂協同。

高可靠性保障： 結合 802.1AS 同步與 802.1CB 冗余，實現生產系統即使在鏈路故障下也能不停機、不丟包。

靈活的業務擴展： 依靠 CNC 集中管理，新增機器人視覺或傳感器節點只需在軟件端調整配置，無需重新鋪設網絡。

5. 產品介紹

Cronet TSN-4812卡軌式TSN萬兆工業以太網交換機

Cronet TSN-4812采用了8個10/100/1000M電口+4個萬兆SFP+擴展槽的配置，其中8個千兆電口連接現場的智能設備：

l                      工業機器人的控制器

l                      精密傳感器的數據采集模塊

l                      運動控制系統的驅動器

l                      安全系統的監控節點

這些接口承載著工業現場最關鍵的實時控制數據，每一個端口都配備了完整的TSN功能，能夠提供微秒級的時間同步精度。

4個萬兆SFP+擴展槽構建高速數據主干：

l                      連接上層管理網絡

l                      傳輸高清視覺檢測數據

l                      承載大數據分析流量

l                      實現多個TSN域的互聯

萬兆接口為未來的帶寬擴展和新興應用預留了充足的空間，確保網絡架構的前瞻性和可擴展性。