圖1.到2019年，至少有40%的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將在邊緣進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、分析和響應(yīng)。

多年來(lái)，NI投資了兩個(gè)高質(zhì)量控制和測(cè)量平臺(tái)：CompactRIO和CompactDAQ。這兩個(gè)平臺(tái)都具有靈活性和模塊化特性，并具有軟件定義的功能。內(nèi)置I/O接口和C系列I/O模塊提供高精度I/O和特定測(cè)量信號(hào)調(diào)理，因此用戶(hù)可以通過(guò)任何總線(xiàn)連接任何傳感器或設(shè)備。 CompactRIO提供實(shí)時(shí)處理器和用戶(hù)可編程FPGA，特別適用于高速控制，而CompactDAQ則提供了同類(lèi)最為出色的軟件API NI-DAQmx，是數(shù)據(jù)采集的理想選擇。

然而，當(dāng)我們開(kāi)始著手實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)時(shí)，新的挑戰(zhàn)不斷涌現(xiàn) - 特別是在系統(tǒng)物理尺寸不斷增大、傳感器數(shù)量不斷增加的情況下。我們?nèi)砸越Y(jié)構(gòu)測(cè)試為例，為了全面了解風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的性能，我們需要為整個(gè)機(jī)構(gòu)配備傳感器，以測(cè)量應(yīng)變、壓力、負(fù)載和扭矩。這些傳感器都會(huì)生成模擬信號(hào)，為了獲得最多且最有用的信息，我們需要進(jìn)行高速、高分辨率測(cè)量。對(duì)于諸如此類(lèi)的大規(guī)模應(yīng)用，我們可能需要在整個(gè)系統(tǒng)中部署數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)傳感器。在采集所有這些數(shù)據(jù)時(shí)，我們還需要能夠?qū)崟r(shí)處理這些數(shù)據(jù)，以便我們可以為控制系統(tǒng)的所有執(zhí)行器提供輸出控制。

嘗試開(kāi)發(fā)此類(lèi)系統(tǒng)時(shí)會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)：

·將數(shù)千個(gè)通道和眾多測(cè)量系統(tǒng)同步在一起

·同步控制系統(tǒng)，以便在正確的時(shí)間進(jìn)行所有操作

·將測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)同步在一起

隨著系統(tǒng)不斷擴(kuò)展以及應(yīng)用的測(cè)量和控制系統(tǒng)不斷增加，這些挑戰(zhàn)進(jìn)一步加劇。測(cè)量系統(tǒng)之間以及控制系統(tǒng)之間的同步并不是一項(xiàng)新挑戰(zhàn)。今天，我們通?？梢酝ㄟ^(guò)基于信號(hào)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中使用了物理布線(xiàn)將公共時(shí)基或信號(hào)路由到分布式節(jié)點(diǎn)。但是，這在距離、可擴(kuò)展性和噪聲風(fēng)險(xiǎn)方面存在局限性。另一種選擇是利用基于以太網(wǎng)等通用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。以太網(wǎng)提供了高度開(kāi)放性和互操作性，但沒(méi)有延遲限制或帶寬保證。為了解決這一挑戰(zhàn)，工程師開(kāi)發(fā)出一個(gè)以太網(wǎng)定制版本，通常稱(chēng)為硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。典型的例子包括EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP。這些以太網(wǎng)定制版本提供了硬實(shí)時(shí)性能和一流的低延遲和控制。但是，每個(gè)版本都需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的硬件和軟件進(jìn)行修改，這不僅增加了成本，而且意味著來(lái)自不同供應(yīng)商的不同設(shè)備不能在同一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。

解決這一同步挑戰(zhàn)的新技術(shù)目前正在推向市場(chǎng)，這一技術(shù)稱(chēng)為時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)。 TSN是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的更新版本，不僅具有開(kāi)放性和互操作性，而且提供與硬實(shí)時(shí)以太網(wǎng)相同的低延遲和帶寬保證。具體而言，TSN提供三個(gè)關(guān)鍵組件：基于時(shí)間的同步、流量調(diào)度和系統(tǒng)配置。同步功能基于IEEE 1588精確時(shí)間協(xié)議配置文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供亞微秒級(jí)同步。此外，流量調(diào)度和系統(tǒng)配置提供了確定的數(shù)據(jù)通信，因此用戶(hù)可以調(diào)度和優(yōu)先處理網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)(例如控制信號(hào))。

TSN的一個(gè)重要特性是時(shí)間敏感流量和其他以太網(wǎng)流量的融合。由于TSN是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)特性，時(shí)間同步和確定性通信這兩項(xiàng)新功能可支持所有以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)。這意味著測(cè)量或控制系統(tǒng)上的單個(gè)端口可以執(zhí)行確定性通信，同時(shí)還可遠(yuǎn)程更新用戶(hù)界面終端并支持文件傳輸。TSN是許多工業(yè)應(yīng)用的一項(xiàng)新增功能，例如過(guò)程和機(jī)器控制，其中低通信延遲和最小抖動(dòng)對(duì)于滿(mǎn)足閉環(huán)控制要求至關(guān)重要。基于時(shí)間的以太網(wǎng)同步還可以免除基于信號(hào)的同步所需的布線(xiàn)，與傳統(tǒng)監(jiān)控應(yīng)用和物理系統(tǒng)測(cè)試(如結(jié)構(gòu)測(cè)試)相比可大幅減少了布線(xiàn)需求，從而能夠在不犧牲可靠性的情況下實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

NI的產(chǎn)品也在不斷增加對(duì)TSN的支持，CompactRIO平臺(tái)的最新控制器便是一個(gè)典型的產(chǎn)品。 用戶(hù)可以將這些新控制器添加到TSN網(wǎng)絡(luò)，并支持?jǐn)?shù)據(jù)同步和確定性通信，使其成為理想的IIoT邊緣節(jié)點(diǎn)。