新一轮技术升级：SPE和TSN正在重构工业以太网

作者 | Thomas J. Burke

单对以太网（SPE）和集成时间敏感网络（TSN）的以太网等新兴工业自动化技术，正在重新定义工业通信与连接方式。SPE可通过单根双绞线同时传输数据与电力，从而大幅简化智能工厂及工业环境中紧凑型设备与传感器的连接方式。这项技术降低了布线复杂性，能够在各类设备间实现更高效、可扩展的网络。

一方面，集成TSN的以太网通过增加定时同步和数据包优先级处理功能，提升了以太网处理实时数据的能力。该技术降低了布线复杂度，能为各类设备构建更高效、可扩展的网络。

另一方面，集成TSN的以太网通过增加时间同步功能与数据包优先级排序机制，提升了以太网处理实时数据的能力。这一特性使其能实现精准、低延迟的通信，而这对机器人、自动化及自主系统等应用而言至关重要。SPE与集成TSN的以太网协同作用，可在工业4.0环境中实现无缝、高速且可靠的数据交换，为工业运营带来前所未有的自动化水平、灵活性与效率提升。

尽管SPE在简化网络基础设施方面潜力巨大（尤其适用于工业场景中的紧凑型设备与传感器），但其仍是一项较新的技术规范。行业专家表示，基于SPE的产品与解决方案要在各行业广泛应用，可能还需要一段时间。

与SPE不同，TSN以太网的规范已经成熟且开始广泛应用。TSN通过精确计时与同步功能增强了以太网的功能，可实现确定性数据传输——这对机器人、自主系统和工厂自动化等实时工业应用至关重要（见图1）。

▲图1：TSN支持多工业系统通过单根线路通信。

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TSN对实时数据传输的影响

借助TSN，各行业已开始部署可靠的、低延迟通信解决方案，并受益于当前已标准化的协议，这些协议可以确保设备与系统间的互操作性。TSN标准的成熟，使制造商能够在对计时精度和低延迟要求严苛的场景中部署该技术，因此在实际应用中相较于SPE占据显著先发优势。TSN以太网的快速部署，印证了其技术的就绪度对工业自动化的直接推动作用。

TSN为以太网赋予了特定技术特性，使其能够实现高可靠性、高精度的数据实时传输。核心特性与优势包括：

■ 确定性数据传输：TSN可确保数据包在严格的时序窗口内实现可预测地传输，这对需要同步运营的场景（如工业环境中的机器人和自动化机械）至关重要。通过时间同步和流量调度协议实现确定性，即使在网络负载较高时，支持TSN的设备也能精确管理数据流。

■ 时间同步：TSN采用IEEE 802.1AS等协议，为联网设备提供高精度时钟同步，维持微秒级计时精度。这一特性对自动化中协调性强、对延迟敏感的过程（如运动控制和视觉系统）是不可或缺的——在此类场景中，时间偏差可能会干扰正常运行。

■ 流量优先级与服务质量（QoS）：通过IEEE 802.1Qbv等机制，TSN为不同的数据分配不同的优先级，确保高优先级、时间敏感的数据，能够无中断地到达目的地。这种QoS机制支持控制数据、视频数据、通用信息等多种数据类型在同一网络中传输，既提升了运营效率，又减少了对独立基础设施的需求。

■ 互操作性：由于TSN基于以太网构建，它能够与现有基于以太网的网络无缝集成，提供灵活且可扩展的解决方案。这种互操作性通过连接制造与工业环境中的各类设备与系统（无需专用布线或网络结构），有力的支持工业4.0目标。

这些特性使TSN以太网成为需要精确实时控制的行业（尤其是运动相关应用领域）的通用高性能解决方案。在涉及实时协同操作的复杂制造流程自动化中，TSN 的价值尤为突出。它能确保在传感器、控制器与执行器之间，实现低延迟且同步的通信，在分秒级的装配线和机器人系统中，时序对质量与效率至关重要。

在机器人领域，TSN的精确计时与低延迟特性，可保障机械臂、传感器与控制器之间的无缝协作。TSN支持多轴运动控制及复杂机器人动作，这对高速包装、焊接和取放运营等场景尤为关键。在汽车领域，TSN被用于电子控制单元（ECU）间的安全关键通信，尤其在自动驾驶车辆中。它能使传感器、摄像头与AI处理器之间实现可靠的数据交换，这对自动驾驶及高级驾驶辅助系统（ADAS）的实时决策与安全导航非常重要。

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网络标准将如何影响TSN的应用路径

通过在工业通信解决方案中集成符合TSN标准的硬件和软件，供应商可以应用TSN以太网。应用通常包括为交换机、控制器和网络接口卡等网络组件，添加时间同步、流量优先级等TSN功能。这要求制造商遵循IEEE标准（例如用于时间同步的IEEE 802.1AS、用于流量调度的IEEE 802.1Qbv），确保不同厂商的TSN设备间的互操作性。通过采用TSN，供应商能够提供满足汽车制造、过程自动化等需要实时数据交换行业所需的高可靠性与低延迟需求的解决方案。

CC-Link协会（CLPA）在推动TSN网络应用方面也发挥着关键作用，通过制定互操作性标准，并为供应商提供协作平台，用于测试和认证支持TSN的产品。CLPA推出的CC-Link IE TSN协议是首批集成TSN技术的开放工业网络之一。它在以太网的基础上扩展了TSN的实时通信能力，支持生产线间的无缝数据交换与协调。通过为TSN兼容产品提供认证服务，CLPA可确保不同厂商的设备能够可靠协同工作，从而加速TSN在各行业的应用（见图2）。

▲图2：三菱电机Melsec iQ-R系列伺服系统控制器可通过单一网络支持复杂运营。

TSN工业自动化一致性协作组织（TIACC）是CLPA、Avnu联盟、ODVA、OPC基金会以及PI等国际工业组织联合发起的倡议。其目标是针对使用TSN网络的设备，制定统一的一致性测试计划，特别是与“IEC/IEEE 60802配置文件”保持一致。这一举措，旨在实现不同厂商TSN兼容产品间的互操作性，确保它们能够在工业环境的同一网络基础设施上无缝运行。

TIACC对TSN网络的应用具有直接影响——它通过标准化测试过程，并确保不同厂商基于TSN的设备能够可靠协同工作，为行业提供了保障。对于致力于实现网络融合的行业而言，这一协作至关重要。在这些行业中，各类工业协议与IT协议可共存于同一网络，从而提升效率并简化网络管理。通过验证互操作性，TIACC使汽车、制药、食品饮料等行业能够自信地将TSN集成到需要高精度与实时性能的应用中，助力实现工业4.0与智能制造目标。

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SPE与TSN正重塑工业通信

SPE与TSN以太网等新兴技术，正通过提升连接性与实时通信能力推动工业自动化的变革。尽管SPE凭借简化的布线与可扩展的网络（尤其适用于工业环境中的紧凑型设备）展现出潜力，但其应用仍需时间，毕竟该技术尚在成熟过程中。相比之下，TSN的规范已完全确立，能够提供自动化与机器人应用所需的确定性低延迟通信。

目前，TSN已得到广泛应用，其支持互操作的高精度网络可实现跨设备、跨行业的数据同步传输。TIACC等倡议正在推动全行业互操作性标准的制定，助力加速TSN的采用。这类协作模式支持工业4.0技术在各行业的整合，为未来打造高效、可靠且可扩展的工业运营奠定基础。

▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2025年09月刊《技术进展》栏目：SPE和TSN正在重构工业以太网