工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為了熱點(diǎn)—事實(shí)上，想要實(shí)現“信息互聯(lián)”的努力已經(jīng)有很多年了，然而，這并非易事，因為制造業(yè)的細分造成了垂直領(lǐng)域的壁壘，IT試圖訪(fǎng)問(wèn)OT遇到的障礙超出了大多數人的想象，因此，對于如何突破這些壁壘，我們很有必要了解基礎互聯(lián)的問(wèn)題，必須了解OPC UA和TSN目前正在國際前沿廠(chǎng)商所尋求的面向未來(lái)互聯(lián)的解決方案。

圖1-金字塔架構到分布式架構

有的專(zhuān)家認為圖1左側為傳統的工廠(chǎng)架構，這一架構將在未來(lái)為右側的云計算/邊緣計算架構所替代，其實(shí)，集中控制與分布式計算是會(huì )共存的，并非非此即彼的對立，然而，無(wú)論是哪一種方式，互聯(lián)必須得以有效的實(shí)現。

1.IT與OT實(shí)現融合的障礙在哪里？

在過(guò)去推動(dòng)的進(jìn)程里，我們聽(tīng)到最多的是關(guān)于底層協(xié)議的抱怨，“協(xié)議都不開(kāi)放”、“不知道采集的數據是什么？”、“我們的時(shí)間都耗費在了配置參數上”，這種困境使得人們所描繪的美好互聯(lián)世界變得讓人煩躁不安—“這真的是我們期望的互聯(lián)世界嗎？”。

（1）機器間的協(xié)議障礙

現實(shí)的工廠(chǎng)遠非理想的世界，有些情況是連通信接口都沒(méi)有，而如果有的話(huà)，那也經(jīng)常會(huì )不同，有時(shí)候，你甚至發(fā)現同一家公司的不同代次的產(chǎn)品都存在這樣的連接問(wèn)題。

（2）語(yǔ)義互操作的障礙

就像英語(yǔ)你可以說(shuō)“Hello！”表示問(wèn)候，中文說(shuō)“你好！”，不同國家的人都會(huì )有不同的語(yǔ)言，不同的機器也有不同的語(yǔ)言，就像有的用“英寸”，而另一個(gè)采用“厘米”做單位，這些語(yǔ)義之間的差異使得你不能說(shuō)“A機器走了2英寸，而B(niǎo)機器走了2厘米，他們相同的位移”，盡管從獲得的數據上來(lái)說(shuō)都是“2”，但是，這兩者卻完全不同的尺寸。

（3）多個(gè)網(wǎng)絡(luò )

對于制造業(yè)工廠(chǎng)的CIO來(lái)說(shuō)，最理想的世界肯定是不要那么多網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，也不要那么多網(wǎng)絡(luò )接口，更不想為了讓不同的接口和協(xié)議進(jìn)行連接而開(kāi)發(fā)“適配器”以及“協(xié)議軟件接口”，這還僅僅是OT端，而IT與OT采用的是非一致的網(wǎng)絡(luò )以及網(wǎng)絡(luò )層次（ISO-OSI模型）。

IT與OT間的網(wǎng)絡(luò )所拼接的組合數會(huì )是一個(gè)巨大的數字，這使得美好的IT與OT融合在過(guò)去的20年里被討論，卻直到今天尚未有效實(shí)現互聯(lián)。

2.OPC UA-解決語(yǔ)義互操作問(wèn)題

為了解決互操作也開(kāi)發(fā)了很多標準，就目前而言，聲勢最大也被廣泛認可的是OPC UA，OPC UA基金會(huì )屬于非盈利組織，而OPC UA本身也是不為公司掌握的獨立技術(shù)，成為IEC62451標準以及中國國家標準，而且在德國工業(yè)4.0組織和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC均將OPC UA列為了實(shí)現語(yǔ)義互操作的標準規范。

圖2是關(guān)于為什么采用OPC UA的總結，讀者可以大致了解到它的全局優(yōu)勢。

圖2-為什么選擇OPC UA？

OPC UA在如圖2中已經(jīng)描述了它的優(yōu)勢，但很多人仍然僅僅把它理解為一個(gè)通信的規范，而事實(shí)上，OPC UA真正的核心在于“信息建?！?。

圖3是OPC UA的基礎架構，包括內嵌信息模型、行業(yè)信息模型與供應商信息模型幾個(gè)層面的信息模型。

圖3-OPC UA解決信息模型問(wèn)題

信息模型是什么？如果用OPC UA的技術(shù)來(lái)介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實(shí)現機器人與注塑機進(jìn)行協(xié)同的工作的時(shí)候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數據來(lái)保證他們之間的工作一致性呢？這就是數據的應用問(wèn)題，而同樣道理，我們希望實(shí)現OEE的統計，那么OEE的計算就是一個(gè)信息模型，我們需要與之相關(guān)的數據，而垂直行業(yè)的信息模型則在于具體的包裝、塑料、印刷行業(yè)所采集的對象定義不同。

圖4-獲得結構化數據是數據應用的前提

簡(jiǎn)單理解信息模型就是為了實(shí)現特定任務(wù)，而對數據所進(jìn)行的標準封裝，OPC UA提供了一個(gè)如何封裝信息模型的標準，除了已經(jīng)納入到OPC UA架構下的PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還支持行業(yè)自定義的信息模型，OPC UA采用面向對象的思想，使得這些開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單。

在工業(yè)4.0中針對設計、生產(chǎn)、制造各個(gè)環(huán)節的銜接，必須基于信息的標準與規范才能實(shí)現協(xié)同，那么，如何定義信息之間的協(xié)同標準開(kāi)發(fā)了Administration Shell，而這個(gè)管理殼同樣基于OPC UA的規范來(lái)設計并實(shí)現在各個(gè)管理業(yè)務(wù)單元之間的數據傳輸。如圖5所示。

圖5-OPC UA TSN構成的智能集成架構

3.TSN技術(shù)

在圖5中，我們看到了OPC UA也同時(shí)看到TSN，盡管目前TSN尚未正式投入大量應用，但主流的IT廠(chǎng)商如CISCO、華為以及自動(dòng)化業(yè)界的主流廠(chǎng)商均參與TSN的開(kāi)發(fā)，并逐漸推出其TSN產(chǎn)品。

3.1TSN產(chǎn)生的背景

要了解TSN推出的意義，就先了解一下目前在網(wǎng)絡(luò )通信上的障礙：

（1）總線(xiàn)的復雜性

總線(xiàn)的復雜性不僅給OT端帶來(lái)了障礙，且給IT信息采集與指令下行帶來(lái)了障礙，因為每種總線(xiàn)有著(zhù)不同的物理接口、傳輸機制、對象字典，而即使是采用了以太網(wǎng)來(lái)標準各個(gè)總線(xiàn)，但是，仍然會(huì )在互操作層出現問(wèn)題，這使得對于IT應用，如大數據分析、訂單排產(chǎn)、能源優(yōu)化等應用遇到了障礙，無(wú)法實(shí)現基本的應用數據標準，這需要每個(gè)廠(chǎng)商根據底層設備不同寫(xiě)各種接口、應用層配置工具，帶來(lái)了極大的復雜性，而這種復雜性使得耗費巨大的人力資源，這對于依靠規模效應來(lái)運營(yíng)的IT而言就缺乏經(jīng)濟性，因此，長(cháng)期以來(lái)，雖然大家關(guān)注，卻很少有公司能夠在這一領(lǐng)域獲得較大的成長(cháng)。

（2）周期性與非周期性數據的傳輸

IT與OT數據的不同也使得網(wǎng)絡(luò )需求差異，這使得往往采用不同的機制，對于OT而言，其控制任務(wù)是周期性的，因此采用的是周期性網(wǎng)絡(luò )，多數采用輪詢(xún)機制，由主站對從站分配時(shí)間片的模式，而IT網(wǎng)絡(luò )則是廣泛使用的標準IEEE802.3網(wǎng)絡(luò )，采用CSMA/CD，即沖突監測，防止碰撞的機制，而且標準以太網(wǎng)的數據幀是為了大容量數據傳輸如Word文件、JPEG圖片、視頻/音頻等數據。

（3）實(shí)時(shí)性的差異

由于實(shí)時(shí)性的需求不同，也使得IT與OT網(wǎng)絡(luò )有差異，對于微秒級的運動(dòng)控制任務(wù)而言，要求網(wǎng)絡(luò )必須要非常低的延時(shí)與抖動(dòng)，而對于IT網(wǎng)絡(luò )則往往對實(shí)時(shí)性沒(méi)有特別的要求，但對數據負載有著(zhù)要求。

由于IT與OT網(wǎng)絡(luò )的需求差異性，以及總線(xiàn)復雜性，使得過(guò)去IT與OT的融合一直處于困境。

這是TSN網(wǎng)絡(luò )因何在制造業(yè)得以應用的原因，因為T(mén)SN解決了上述幾個(gè)障礙：

（1）單一網(wǎng)絡(luò )來(lái)解決復雜性問(wèn)題，與OPC UA融合來(lái)實(shí)現整體的IT與OT融合。

（2）周期性數據與非周期性數據在同一網(wǎng)絡(luò )中得到傳輸；

（3）平衡實(shí)時(shí)性與數據容量大負載傳輸需求

明白這個(gè)背景，就會(huì )明白TSN為何被OT廠(chǎng)商所共同關(guān)注，希望將其引入制造業(yè)以解決現實(shí)中的融合問(wèn)題，否則，網(wǎng)絡(luò )將成為推動(dòng)智能制造的第一個(gè)難點(diǎn)。

IEEE802.1本身是為了Audio/Video領(lǐng)域而設計的標準，在2005年即成立，并一直致力于開(kāi)發(fā)針對音頻/視頻橋的IEEE802.1AVB標準的開(kāi)發(fā)，由Avnu聯(lián)盟負責其兼容性以及市場(chǎng)推廣。

IEEE802.1AVB逐漸受到了其它領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)關(guān)注，并對此產(chǎn)生興趣，但是，AVB并非是一個(gè)適合于所有產(chǎn)業(yè)的名字，在2012年IEEE AVB TG被重命名為T(mén)SN TG，在2015年Interworking TG與TSN TG合并成為新的TSN任務(wù)組。

在智能制造時(shí)代，我們說(shuō)IT與OT融合來(lái)實(shí)現整個(gè)數據透明下的協(xié)同制造，但是，對于智能制造而言所遇到的問(wèn)題卻使得IT與OT的融合產(chǎn)生了諸多的障礙，這包括以下幾個(gè)方面

3.2TSN的目標問(wèn)題

TSN主要解決時(shí)鐘同步、數據調度與系統配置三個(gè)問(wèn)題，如圖6：

圖6-TSN網(wǎng)絡(luò )所聚焦的三個(gè)問(wèn)題

（1）所有通信問(wèn)題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎的問(wèn)題，TSN工作組開(kāi)發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標準IEEE802.1AS-Rev。

（2）數據調度機制：為數據的傳輸制定相應的機制，以確保實(shí)現高帶寬與低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò )傳輸。

（3）系統配置方法與標準，為了讓用戶(hù)易于配置網(wǎng)絡(luò )，IEEE定義了相應的IEEE802.1Qcc標準。

3.3TSN相關(guān)標準

TSN目前由IEEE在制定相關(guān)標準，IEC也開(kāi)始將其納入到標準體系中，并與IEEE展開(kāi)合作，凡是IEEE標準的技術(shù)，都將不再屬于某家公司，而是一個(gè)統一的標準，供所有人可以去實(shí)現和應用，當然，會(huì )有一些芯片廠(chǎng)商和技術(shù)服務(wù)商為大家提供開(kāi)發(fā)支持。

如圖7所示，分布式網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)鐘精確同步是一個(gè)基準問(wèn)題，IEEE針對工業(yè)應用對此進(jìn)行了升級優(yōu)化使得其更為適應多主的情況，并對冗余能力進(jìn)行了增強。這項標準為IEEE802.1AS-Rev。

圖7-IEEE802.1AS-Rev的分布式時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )

3.3.1IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊列

TSN的核心在于時(shí)間觸發(fā)的通信原理，在TSN網(wǎng)絡(luò )中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報文序列的傳輸方式，被標準化為IEEE802.1Qbv。其機制如圖9所示。

圖8-IEEE802.1Qbv的傳輸機制

通過(guò)時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通過(guò)TSN使能交換機來(lái)控制隊列報文，以太網(wǎng)幀被標識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個(gè)隊列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數據隊列報文的在預定時(shí)間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在預定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數據被非周期性數據所影響的結果。這意味著(zhù)每個(gè)交換機的延遲是確定的，而在TSN網(wǎng)絡(luò )的數據報文延時(shí)被得到保障。TAS介紹了一個(gè)傳輸門(mén)概念，這個(gè)門(mén)有“開(kāi)”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸的選擇過(guò)程-僅選擇那些數據隊列的門(mén)是“開(kāi)”狀態(tài)的信息。而這些門(mén)的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò )時(shí)間表進(jìn)行定義。關(guān)閉到非時(shí)間表的門(mén)是另一種提供對時(shí)間嚴苛型報文進(jìn)行帶寬與延時(shí)保障的方法。TAS保障時(shí)間嚴苛報文免受其它網(wǎng)絡(luò )信息的干擾，它未必帶來(lái)最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當這些因素非常重要時(shí)，搶占機制可以被使用。

圖9-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作機制

如圖9所示，在網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置時(shí)隊列就分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對于Schedule而言則直接按照原定的配置時(shí)間通過(guò)，其它則按優(yōu)先級。Qbv主要為那些時(shí)間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數據的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數據的交換。

3.3.2IEEE802.1Qbu轉發(fā)與隊列機制

對于高帶寬的非時(shí)間嚴苛型應用而言，Qbu的搶占式方式可以解決其傳輸的問(wèn)題。當出現優(yōu)先級更高的數據包傳輸時(shí)立即中斷當前傳輸，被中斷的傳輸從中斷點(diǎn)處被重發(fā)。

圖10-Qbu的傳輸序列

IEEE 802.1Qbu與IEEE 802.3br（穿插快速報文任務(wù)）一同工作于一個(gè)標準化的搶占機制上。該標準解決IEEE802.1Qbv所描述的TAS為避免傳輸抖動(dòng)而在嚴苛型數據幀到來(lái)之前鎖存了低優(yōu)先級序列的問(wèn)題（在一個(gè)最大干擾幀的持續時(shí)間內）。在需要預定的消息的最小延遲的情況下，TAS機制可能不是最佳的解決方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定義的優(yōu)先級的鏈路上，可以中斷標準以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以允許高優(yōu)先級幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸的被中斷的消息。有幾種用于搶占正在進(jìn)行的傳輸的通信選項是有利的，例如，以允許即時(shí)傳輸預定的消息并確保最小的通信延遲，或者促成

具有大量預定流量的網(wǎng)絡(luò )鏈路上的最大帶寬使用率。

圖11-可搶占MAC與快速MAC

如圖11所示，快速幀的MAC數據通道可以搶占Preemptable MAC的數據傳輸。

正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護的，127字節的數據幀（或剩余幀）不能被搶占。采用標準以太網(wǎng)PHY。

3.3.3IEEE802.1Qcc系統配置

Qcc用于為T(mén)SN進(jìn)行基礎設施和交換終端節點(diǎn)進(jìn)行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多個(gè)CUC(集中用戶(hù)配置)和1個(gè)CNC(集中網(wǎng)絡(luò )配置)構成。CUC制定用戶(hù)周期性時(shí)間相關(guān)的需求并傳輸過(guò)程數據到CNC，CNC計算TSN配置以滿(mǎn)足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一個(gè)用于OPC UA C/S，也會(huì )有其它用于應用協(xié)議如安全。配置采用標準化的配置協(xié)議（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果單一設備則CUC和CNC并不牽扯協(xié)議。如果CUC和CNC是在分布式網(wǎng)絡(luò )，RESTCONF用于他們之間的通信協(xié)議。

圖12-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)配置的協(xié)議

圖12顯示了IEEE802.1Qcc的CNC與CUC的配置，對不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。

當然了IEEE關(guān)于TSN相關(guān)的標準還包括其它，可以在IEEE官方網(wǎng)站獲得相關(guān)信息。

圖13-貝加萊2017年SPS展展出200 OPC UA TSN演示系統

圖13為2017年紐倫堡SPS展會(huì )上貝加萊展出的OPC UA TSN演示系統，針對200個(gè)I/O站、5個(gè)高清視頻，達到100μS的數據刷新能力。

4.OPC UA+TSN是構成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎

如果我們回到最初Internet被創(chuàng )建時(shí)的ISO/OSI七層協(xié)議模型，我們就會(huì )發(fā)現，在OPC UA與TSN構成的網(wǎng)絡(luò )中，正是實(shí)現了這一“Internet”協(xié)議的七層結構。

TSN解決的是數據鏈路層的問(wèn)題，結合標準的以太網(wǎng)物理層，但是，我們去看TSN的參考網(wǎng)絡(luò )以及機制可以看到它能支持到網(wǎng)絡(luò )交換機制的Network和Transport層的問(wèn)題，而OPC UA則解決了Session會(huì )話(huà)層、Presentation表示層與Application應用層的問(wèn)題。

我們可以把OPC UA TSN理解為一個(gè)Internet的工業(yè)版協(xié)議族，就像當年Internet被創(chuàng )建的時(shí)代一樣。

無(wú)論技術(shù)如何理解，但OPC UA與TSN對于未來(lái)的IT與OT融合奠定了基礎，使得過(guò)去人們對于IT與OT連接的各種障礙得以獲得一個(gè)清晰而可行的解決之道，最終實(shí)現工業(yè)互聯(lián)，在這個(gè)基礎上，大數據應用、人工智能分析等才能被實(shí)現。

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個(gè)總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創(chuàng )新驅動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個(gè)業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個(gè)產(chǎn)業(yè)客戶(hù)提供機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化、運動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續的創(chuàng )新精神，為客戶(hù)提供更為簡(jiǎn)化以及超出預期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。