對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在未來(lái)制造業(yè)發(fā)展中的地位已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)毋庸置疑的共識。大量的投入正在這一潛力巨大的領(lǐng)域進(jìn)行著(zhù)，然而，目前為止很多尚停留于表面。在終端客戶(hù)的需求刺激下，自動(dòng)化廠(chǎng)商明白所遇到的IIOT第一道檻：基于開(kāi)放標準的無(wú)縫集成。時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )（TSN）與OPC UA的融合提供了高精度確定的機器、控制器、I/O的訪(fǎng)問(wèn)—并且無(wú)需考慮底層是誰(shuí)家的設備。

OPC UA TSN滿(mǎn)足今天制造業(yè)應用所需的所有通信需求

作為一個(gè)開(kāi)放的協(xié)議，OPC UA已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應用。幾乎所有的制造商都在他們的控制器或其它產(chǎn)品中提供了對OPC UA的支持。相應技術(shù)在OPC 基金會(huì )統一協(xié)調管理下由不同成員進(jìn)行開(kāi)發(fā)并推廣。機器與設備的操作者自此無(wú)需擔心簡(jiǎn)單的通信技術(shù)選擇而被制造商所綁定的潛在風(fēng)險。

通過(guò)標準化的系統連接，他們可以分享相同的訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)并可以聚焦于解決新的挑戰。過(guò)去，我們已經(jīng)習慣網(wǎng)絡(luò )中有30到40個(gè)節點(diǎn)，而未來(lái)我們甚至可以看到達到1000甚至更多節點(diǎn)在應用中出現。

持續增長(cháng)的節點(diǎn)

挑戰在于尋找如何管理持續增長(cháng)的管理與控制的節點(diǎn)數量，對于這一挑戰，自動(dòng)化廠(chǎng)商還需要通過(guò)差異化來(lái)為其客戶(hù)提供附加值獲得機會(huì )。因此，用于流水線(xiàn)復雜網(wǎng)絡(luò )大量節點(diǎn)的設置與配置的軟件也變得愈發(fā)重要，這些工具也要能設計的無(wú)需復雜的IT培訓即可應用。

除了節點(diǎn)數量的高速增長(cháng)，并且，數據量也將以指數增長(cháng)，這使得傳統的工業(yè)總線(xiàn)協(xié)議應對如此大量數據洪流非常困難，這就是OPC UA承諾進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改善的方向。

信息，而非數據

OPC UA最大的優(yōu)勢在于信息模型（傳統的總線(xiàn)系統傳輸非結構化數據-沒(méi)有如單位、數據從屬關(guān)系、讀寫(xiě)屬性等信息），運行于控制器上的應用知道如何采用眾所周知的方法來(lái)解析這些數據，如何采用對象字典的查詢(xún)方式。

這種方法在機器獨立運行的情況下顯然沒(méi)有什么問(wèn)題，但是，隨著(zhù)機器的數據被其它機器、SCADA系統甚至在基于云技術(shù)的ERP系統應用，這些數據傳輸將缺乏語(yǔ)義信息，而僅僅是非結構化數字。

更少的錯誤

在過(guò)去，語(yǔ)義語(yǔ)境通過(guò)長(cháng)的表格甚至手寫(xiě)的表單傳輸，這一繁瑣乏味的工作，并且經(jīng)常是錯誤的源頭的方法逐漸被OPC UA所替代，使得實(shí)現便捷、高效的敏捷制造方案成為了可能。

通過(guò)它的信息模型，OPC UA不僅可以傳輸數據，而且傳輸的信息可以被網(wǎng)絡(luò )上任何節點(diǎn)正確解析，而無(wú)需進(jìn)一步的解釋。例如：我們有一個(gè)測量溫度為5攝氏度的傳感器，按照傳統的議，控制器將接收它作為一個(gè)整型數據類(lèi)型，其值為“5”，即，在控制器上它僅被表示為數值而不包含語(yǔ)義，控制器的應用僅有限的應用它。

OPC UA則采用不同的方法，值“5”是與其語(yǔ)義內容一起提供的，攝氏度、上下限、事件也會(huì )被提供。

信息需求

由于OPC UA網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)也可以查詢(xún)這些信息，這使得它可以被更為廣泛的方式來(lái)使用。如果你想生成一個(gè)ERP報告，ERP系統可以瀏覽網(wǎng)絡(luò )來(lái)獲得相關(guān)信息。一旦找到，這些信息可以被采集到一個(gè)數據庫并在報告中瀏覽。過(guò)去這些數據需要采用手動(dòng)的方式傳輸，每個(gè)單獨值的語(yǔ)義信息都需要存儲在ERP系統中。有了這樣的靜態(tài)結構，機器上的變量的變化也需要ERP系統中重新編程。

這個(gè)例子突出顯示了OPC UA簡(jiǎn)化了控制層到更高級別系統的通信，然而，我們遇到了新的障礙，當更高級的IT系統將查詢(xún)發(fā)送到機器網(wǎng)絡(luò )時(shí)（這里我們成為運營(yíng)技術(shù)或OT），網(wǎng)絡(luò )負載不可避免的增加了。

對于IT網(wǎng)絡(luò )，毫秒級的延遲是可以接受的，但是，對于高精度的制造過(guò)程而言，微秒級是必要的。這種情況下，毫秒級的延遲可能會(huì )使得機器關(guān)閉，降低產(chǎn)品品質(zhì)，甚至導致設備對人身的傷害。這是為什么幾乎每個(gè)制造商都額外的將IT與OT系統進(jìn)行獨立運營(yíng)維護的原因。IT網(wǎng)絡(luò )缺乏確定性和周期性數據報文傳輸能力-而在OT層面這又是必須的。

一個(gè)共享網(wǎng)絡(luò )

IT網(wǎng)絡(luò )遵循眾所周知的“最大努力傳輸”原則—這意味著(zhù)數據包優(yōu)先級和傳輸是按照盡量快的方式。如果容量在任意節點(diǎn)超出負載，就會(huì )造成瓶頸—然而這在機器網(wǎng)絡(luò )里是不允許發(fā)生的。直到現在在一些基礎網(wǎng)絡(luò )設施尚不能實(shí)現最大努力和周期性數據傳輸。隨著(zhù)TSN的出現，這一問(wèn)題可以被解決，TSN是以太網(wǎng)標準的延展，將用于解決通用數據與時(shí)間嚴苛型數據在同一網(wǎng)絡(luò )中的傳輸。

第一步對于設備網(wǎng)絡(luò )的確定性數據傳輸而言是定時(shí)與降低時(shí)延，IEEE802.1AS-Rev標準被開(kāi)發(fā)用于實(shí)現這一目標。它描述了網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)建立統一網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步的機制。

下一步為了保護確定性數據的優(yōu)先級，這個(gè)由IEEE802.1 Qbv和Qba來(lái)完成—他們定義了網(wǎng)絡(luò )交互必須運行在一種對確定數據進(jìn)行有保障的時(shí)間幀中，這意味著(zhù)其它報文必須等待。

為了建立統一的網(wǎng)絡(luò )配置，流量預留協(xié)議（IEEE802.1Qcc）提供配置的標準接口和機制。TLS之上的NETCOF作為一個(gè)配置協(xié)議。

再見(jiàn)-帶寬問(wèn)題

如果可以融合兩種傳輸機制在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，這就使得周期性數據傳輸和非時(shí)間嚴苛型數據可以在同一物理層進(jìn)行傳輸，由于現代產(chǎn)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越依賴(lài)于千兆網(wǎng)甚或更高，這使得網(wǎng)絡(luò )帶寬瓶頸包括傳統現場(chǎng)總線(xiàn)的，也包括百兆以太網(wǎng)都可以被同時(shí)解決。

OPC UA和TSN的融合將成為新的工業(yè)自動(dòng)化架構邁向舞臺。這一全新設計的最值得關(guān)注的特性在于它消除了IT與OT網(wǎng)絡(luò )的邊界。這不僅使得新的工廠(chǎng)可以被完全連接，也意味著(zhù)舊的工廠(chǎng)也可以同樣被連接，通過(guò)B&R的Orange Box，大量設備可以通過(guò)OPC UA被集成到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò )，而這對現有的機器無(wú)需進(jìn)行任何改變。

貝加萊積極參與到OPC UA和TSN融合從實(shí)驗探索到測試以及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段。貝加萊看到了OPC UA TSN為機器與設備運營(yíng)領(lǐng)域的巨大潛力，因此不遺余力的推動(dòng)該技術(shù)在實(shí)際應用領(lǐng)域的發(fā)展。

貝加萊的OPC UA TSN的原型產(chǎn)品已經(jīng)在測試床與其它IT、OT廠(chǎng)商的產(chǎn)品共同進(jìn)行互操作測試-這是在IIC組織下進(jìn)行的。到目前為止，已經(jīng)達到了非常良好的應用結果。此外，OPC UA會(huì )非?？炷軌蛱峁┽槍Ω邔?shí)時(shí)與低抖動(dòng)的傳輸層。

OPC UA TSN將提供無(wú)縫垂直制造連接的方案

作者：貝加萊Open Automation 技術(shù)部經(jīng)理 Sebastian Sachse

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。