在全球竞争激烈的市场中，目标是以市场驱动的成本，生产出日益复杂且质量始终如一的高品质产品，而且往往需要定制化服务。智能工厂能够根据工业4.0原则自主适应不断变化的生产需求，是实现这一目标的关键。.
日益增长的通信需求：
联网生产系统不仅需要彼此通信，还需要与公司内部的其他系统通信。这种通信需求涵盖了从现场传感器和执行器、控制器和主控计算机，到本地和中央数据中心以及云端的所有环节。所有这些环节既是数据源，也是数据目的地。
微电子技术的持续小型化打破了控制计算机与外围设备之间固有的界限。随着传感器和执行器越来越多地配备自身的处理器，现场智能网络节点的数量正在迅速增长。数据处理的架构——集中式或分布式——取决于技术和经济两方面的因素，包括通过公共网络（例如 5G）传输数据的成本。.
传统的层级式信息交换模式正向跨结构数据通信方式演变。这种转变的驱动力在于提高生产效率、流程稳定性、产品质量和能源效率的需求，而所有这些都需要高质量的信息，因此也需要增加数据传输量。.
以太网在工业应用中的
在主流信息技术（IT）领域，以太网网络标准已成为快速交换大量数据的标杆。作为全球领先的办公环境计算机联网标准，以太网提供高传输带宽。此外，TCP/IP协议族促进了跨越各个局域网（LAN）边界的全球标准化数据通信。
鉴于工业机器和系统中数据量的不断增长，显然以太网也需要应用于工业运营技术 (OT) 领域。然而，工业应用中运动过程的精确同步在许多方面都要求具备实时能力。为了实现这一点，可预测的时序至少与足够高的数据传输速率同等重要。.
尽管以太网能够快速传输大量数据，但它缺乏某些工业应用所需的确定性时序。因此，需要对其进行改进以满足工业环境的严格要求。.
生产所需的实时能力：
只有网络中所有参与者使用共同的时间基准，才能实现确定性的实时行为。为了实现可预测的实时行为以及小于一毫秒的等时周期，自动化系统制造商在工业以太网的框架下开发了一系列不同的专有实时协议。
基于这些协议的现场总线系统能够利用“黑通道”技术，在同一线路上快速传输大量数据并传输安全相关数据。然而，这些系统通常与以太网标准存在显著差异，并且彼此之间以及与周边网络缺乏兼容性。.
淘汰专有总线系统：
电气与电子工程师协会 (IEEE) 开发了时间敏感网络 (TSN) 以太网标准，它是以太网的扩展，增加了实时功能。IEEE 802.1 TSN 标准通过使用通用时基同步时间来规范数据包传输行为，并提供流量调度和自动系统配置选项。这些特性对于所有计算机系统的通用互连至关重要。
另一个关键需求是采用开放的实时通信协议，以避免不同厂商系统间数据转换带来的复杂性和潜在数据丢失。为了应对这一挑战，SPS 于 2018 年 11 月引入了基于 TSN 的 OPC UA，这是一个可扩展至传感器级别的通用实时通信平台。.
该标准更名为 OPC UA FX（现场交换），通过单一的全球标准化协议解决了以往的兼容性问题。它与主流硬件供应商兼容，是所有工业物联网 (IIoT) 应用的基础，也是将 IT 和 OT 融合到单一网络的关键。.
在本篇 Kontron 技术文章中，了解更多关于 TSN 背后的技术和新的全球语言 OPC UA FX 的信息。.
作为一种单一的实时通信标准
，正迅速确立其作为实时数据通信权威标准的地位。以太网的重新定义显著提升了性能，使得拥有数万个节点的网络成为可能。这些网络的通信速度比以往任何协议都快18倍，而且管理和配置也非常便捷。这一进步使得利用经济高效的现场硬件，即可将数字图像处理和实时同步驱动技术相结合。
即使不具备TSN功能的终端也能在TSN网络上无缝运行，这表明以太网最终将把TSN功能作为标准配置。这种转变将消除目前因兼容性问题而产生的高昂成本，从而促进时间关键型系统组件与物联网(IoT)的集成。因此，这将有助于实现工业4.0的概念。此外，数据通信的确定性时序特性在机器和生产系统之外的众多应用中也具有显著优势。.
率先采用了TSN技术
。作为TSN领域的先驱，该公司于2018年4月推出了时间感知网络入门套件。该套件包含全面的软件环境，为程序员和用户提供支持，能够应对TSN相比标准以太网更为复杂的网络配置需求。此外，该入门套件还包含适用于TSN的硬件，并配备兼容TSN的接口，方便用户进行实际测试，从而简化系统构建者采用该技术的流程。Kontron
首批TSN兼容产品之一是PCIe插件板，可提供多达四个外部TSN通道。这些通道可以单独使用，也可以成对冗余使用，或采用环形配置，从而构建与拓扑结构无关的TSN网络。Kontron采用FPGA（现场可编程门阵列）实现了快速通信逻辑，只需重新加载最新版本即可快速轻松地响应标准变更。
紧凑型 SMARC sAL28 模块提供多达五个千兆以太网端口和一个集成的 TSN 交换机，使其成为数据集中作为边缘设备的理想选择。.
的产品
作为标准功能集成到越来越多的产品中，包括其最新的 Box PC、机架式服务器、工作站和面板式 PC，以及 COM Express® 模块、主板和 3.5 英寸单板计算机 (SBC)。这得益于 TSN 功能被集成到来自不同制造商的半导体中，例如英特尔® 酷睿™ 处理器（包括目前最新的第 14 代处理器）。这些处理器支持英特尔的时间协调计算 (TCC) 技术，该技术支持 TSN。
例如，配备第 12 代英特尔® 酷睿™ S 处理器的 COMh-cCAS COM-HPC®（高性能计算）客户端模块，可为网络、自动化、测量和医疗技术等需要图形密集型和高性能计算的多种应用提供所需的强大性能。配备第 13 代英特尔® 酷睿™ 处理器、最高 64 GB DDR5 内存和最高 2.5 Gb 以太网（支持 TSN）的 COMh-caRP 工业级 A 型 COM HPC/客户端模块，同样适用于工业应用。.
Kontron 对 TSN 的投入不仅限于 Intel 处理器。OSM-S i.MX8M Plus 可焊接系统模块 (SoM) 集成了强大的 i.MX8M Plus 四核 Arm® 处理器（配备 1.6 GHz 四核 AI 处理器）、64 GB eMMC 存储和 4 GB LPDDR4 内存。其双千兆以太网端口之一支持 TSN 功能，所有这些都集成在一个紧凑的 30 x 30 毫米尺寸内。.
从最小的模块到嵌入式箱式和面板式PC，包括KISS V4 ADL系列机架式工业系统和KWS工作站，Kontron的工业计算硬件产品组合具备扩展的温度范围和TSN功能，可满足各种不同的需求。此外，Kontron还提供定制开发和产品变体，并通过Kontron AIS为客户实施特定的自动化项目提供支持。.
关键组件：以太网交换机。
在严苛的工业环境中部署复杂的解决方案，需要硬件、软件以及与生产系统的连接实现无缝交互。这种完美集成对于制造业成功实施数字化转型至关重要。因此，工业交换机是构建高效工业4.0和工业物联网（IIoT）应用的必要组成部分。
除了电路板、模块和工业系统外，康创的产品组合还包括工业以太网交换机。KSwitch D10 MMT 是一款坚固耐用且经济高效的八端口管理型 TSN 交换机，专为高速和千兆网络而设计。这款工业设备采用高品质金属外壳，使其能够抵御环境影响。它可在 -40 至 +75 °C 的宽温度范围内工作，并支持 12 至 58 V DC 的扩展电源范围。KSwitch D10 MMT 包含六个带 RJ45 连接器的快速和千兆以太网端口，以及两个带 RJ45 和 SFP 光纤接口的附加端口，支持高达 2.5 GbE/s 的传输速度。它配备了符合 IEEE 802.1 TSN 标准的全套 TSN 功能和管理功能。.
通过将TSN完全集成到包括交换机在内的硬件中，Kontron简化了融合以太网网络的部署。这些网络允许确定性的、时间同步的通信与常规IT流量并行运行，从而促进基于通用以太网协议标准的真正工业物联网（IIoT）或工业4.0环境的构建。.
Kontron 系统和软件产品管理总监 Reiner Grübmeyer 表示： “通过将 TSN 完全集成到我们的硬件（包括交换机）中，我们使用户更容易部署基于以太网的融合网络，其中确定性、时间同步的通信与常规 IT 流量并行运行。”
作者：Reiner Grübmeyer，Kontron 系统与软件产品管理总监
