盡管OICT融合已是產(chǎn)業(yè)共識，然而，真正推動(dòng)它卻并非想象中簡(jiǎn)單，而我們在討論智能制造的各種實(shí)現途徑，包括邊緣計算、大數據、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，我們遇到的第一個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是連接問(wèn)題，如果不解決這個(gè)問(wèn)題則無(wú)法推進(jìn)其它問(wèn)題的實(shí)現。

1 IT與OT融合難度在哪里？

1.1 現場(chǎng)總線(xiàn)到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)

圖1對于制造業(yè)現場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述，相對于傳統的PLC集中式控制，現場(chǎng)總線(xiàn)為工業(yè)控制系統帶來(lái)了很多便利，通過(guò)統一的總線(xiàn)連接實(shí)現了分布式控制，并且通過(guò)總線(xiàn)使得接線(xiàn)變得更為簡(jiǎn)單，而系統的配置、診斷的工作量因此也下降，因此，現場(chǎng)總線(xiàn)是為制造業(yè)現場(chǎng)帶來(lái)很多便利的技術(shù)，然而，各家公司都開(kāi)發(fā)了自己的總線(xiàn)，在IEC的標準中也有多達20余種總線(xiàn)?？偩€(xiàn)本身是帶來(lái)便利的，但是，不同的總線(xiàn)又造成了新的壁壘，因為各家公司的業(yè)務(wù)聚焦、技術(shù)路線(xiàn)的不同，使得各個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)在物理介質(zhì)、電平、帶寬、節點(diǎn)數、校驗方式、傳輸機制等多個(gè)維度都是不同的，因此造成了同一總線(xiàn)標準設備可以互聯(lián)，而不同總線(xiàn)設備則無(wú)法互聯(lián)。

圖1 OPC UA TSN技術(shù)的產(chǎn)生基礎原因

這也是因何實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在21世紀初開(kāi)始投入使用的原因，2001年貝加萊推出POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域第一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，而之后分別有PROFINET、Ethernet/IP、SERCOSIII、EtherCAT等各個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)投入應用，相較于傳統總線(xiàn)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的好處在于物理介質(zhì)、節點(diǎn)數、距離、帶寬、校驗、診斷都統一采用標準的IEEE802.3網(wǎng)絡(luò )，因此在這個(gè)層面上，大家實(shí)現了統一。

1.2 互連互通與互操作

但是，實(shí)時(shí)以太網(wǎng)只是解決了物理層與數據鏈路層的問(wèn)題，對于應用層而言，仍然無(wú)法聯(lián)通。按照IEC的標準，通信連接分為互連、互通、互操作多個(gè)層級，各個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是基于原有的三層網(wǎng)絡(luò )架構（物理層、數據鏈路層、應用層），在應用層采用了諸如PROFIBUS、CANopen等協(xié)議，而這些協(xié)議又無(wú)法實(shí)現語(yǔ)義互操作。

簡(jiǎn)單理解語(yǔ)義互操作就是“5+5”這樣的計算在自動(dòng)化控制中，是物理的信號直接進(jìn)行的處理，而對于IT網(wǎng)絡(luò )傳輸更多豐富的數據結構與類(lèi)型時(shí)就會(huì )需要更多信息，如單位，“5英寸+5厘米”顯然是無(wú)法進(jìn)行加法計算的，這個(gè)時(shí)候我們需要語(yǔ)義規范與標準，以便讓不同的系統之間認識到各自每個(gè)參數所表達的語(yǔ)義。

1.3 智能時(shí)代的工業(yè)通信

在前面我們討論的是在工業(yè)現場(chǎng)水平與垂直方向實(shí)現物理信號的采集與信息的傳輸，但是，到了智能制造時(shí)代，我們需要更為全局的數據采集、傳輸、計算與分析、優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現制造的高效協(xié)同，提升整個(gè)生產(chǎn)效率。

圖2簡(jiǎn)要描述了這一場(chǎng)景，從工廠(chǎng)到供應鏈的各個(gè)環(huán)節都需要數據的連接，那么這個(gè)時(shí)候，IT與OT的融合會(huì )遇到如下復雜性：

圖2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用場(chǎng)景

（1）總線(xiàn)的復雜性帶來(lái)的障礙

總線(xiàn)的復雜性不僅為制造現場(chǎng)帶來(lái)復雜性，也同樣為IT訪(fǎng)問(wèn)OT帶來(lái)了巨大的障礙，因為為了不同的數據訪(fǎng)問(wèn)就得寫(xiě)不同的網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序，對于老的工廠(chǎng)采用的不同的物理介質(zhì)的現場(chǎng)總線(xiàn)還需要配置額外的網(wǎng)絡(luò )適配模塊，然后就是在軟件層面的驅動(dòng)程序，即使采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，語(yǔ)義仍然需要編寫(xiě)不同的接口程序，而豐富的現場(chǎng)總線(xiàn)與應用層組合出成千上萬(wàn)種可能，這使得IT為了配置網(wǎng)絡(luò )、數據采集與連接、數據預處理等工作花費巨大，導致實(shí)現這件工作缺乏經(jīng)濟性，這是技術(shù)推進(jìn)難的首要障礙，如果無(wú)法經(jīng)濟地實(shí)施項目，那么就沒(méi)有投入的必要。

（2）周期性與非周期性數據的傳輸

IT與OT數據的不同也對于網(wǎng)絡(luò )需求產(chǎn)生差異，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數據往往是非周期性的，由于標準以太網(wǎng)無(wú)法滿(mǎn)足周期性的確定性傳輸以及微秒級的實(shí)時(shí)性，才開(kāi)發(fā)了POWERLINK、PROFINET等基于以太網(wǎng)的協(xié)議，然而，這些都無(wú)法在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )里傳輸兩種不同的數據。

（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 )存在差異，對于微秒級的運動(dòng)控制任務(wù)而言，要求網(wǎng)絡(luò )必須要實(shí)現非常低的延時(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。

2 OPC UA TSN的角色

圖3描述了OPC UATSN在整個(gè)ISO-OSI模型中所處的位置，我們可以看到，OPC UA主要解決在應用層的問(wèn)題，而TSN實(shí)質(zhì)上是處于數據鏈路層。

圖3 OPC UA和TSN在ISO-OSI模型中所處的位置

相對而言，OPCUA出現得更早一些，因此，我們先介紹OPCUA的角色與意義，再談TSN。

2.1 OPC UA的角色與意義

（1）OPCUA的角色

OPC UA扮演的角色主要基于下面的問(wèn)題，在IEC關(guān)于互聯(lián)技術(shù)報告中提到互聯(lián)、互通、語(yǔ)義互操作多個(gè)層面的問(wèn)題（圖4中的不兼容、共存不考慮，互換目前無(wú)法做到），而OPCＵＡ主要解決在語(yǔ)義互操作的問(wèn)題上。

圖４ IEC技術(shù)報告關(guān)于通信互聯(lián)的層級定義

（2）OPCUA的核心問(wèn)題——信息模型

圖5 OPC UA的架構

OPC UA具有多種推動(dòng)因素，包括非盈利組織、IEC標準、安全性。對于智能制造而言，多個(gè)設備之間的協(xié)同（M2M）以及業(yè)務(wù)管理系統與產(chǎn)線(xiàn)的協(xié)同（B2M）、業(yè)務(wù)單元間的數據（B2B）都需要OPC UA的協(xié)同。

圖6是一個(gè)針對塑料行業(yè)的信息模型—采用OPCUA標準與規范開(kāi)發(fā)的，應用于注塑機與輔機、注塑機與MES系統之間的信息交互，而同樣，OPC UA基金會(huì )與OMAC/PackML（針對包裝工業(yè)的垂直行業(yè)信息模型），MTConnect（針對機床工具）、AutomationML（針對汽車(chē)工業(yè)）、BacNet（針對樓宇）、ISA（針對MES系統），以及各個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )組織如PI、EPSG、ETG等合作，使得OPC UA成為共同支持的語(yǔ)義互操作層面的規范與標準。

圖6 采用OPC UA標準與規范開(kāi)發(fā)的針對塑料行業(yè)的信息模模型

而圖7則是Industry4.0中AdministrationShell的定義采用OPCUA進(jìn)行描述的示例。

圖7 基于OPC UA的管理殼設計

由此，我們可以看到，OPC UA在整個(gè)OICT融合中扮演了非常重要的角色，而由于OPC UA基金會(huì )的公益性、IEC62451標準等原因，使得OPC UA獲得了全球最主要的自動(dòng)化廠(chǎng)商的支持，目前OPC UA基金會(huì )是最為活躍，會(huì )員規模達到4000多家廠(chǎng)商的全球性標準化組織。

2.2 TSN與TSN的角色

相對而言，TSN技術(shù)才剛剛開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)視野，但是，TSN技術(shù)并非是最近幾年才有，最初它是被應用于音頻/視頻同步的場(chǎng)景，而之后隨著(zhù)汽車(chē)工業(yè)中無(wú)人駕駛/輔助駕駛技術(shù)的需要，TSN也被納入了開(kāi)發(fā)中，而在2012年原有的IEEE802.1Q成立針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性工作組，稱(chēng)為IEEE802.1TSN。

TSN應用于解決之前我們在第一節所談到的話(huà)題：周期性數據與非周期性數據的傳輸問(wèn)題，實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)數據的傳輸問(wèn)題，原有的標準以太網(wǎng)IEEE802.3沒(méi)有確定性，因此才開(kāi)發(fā)了各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，而今天，采用TSN使得標準以太網(wǎng)具有傳輸實(shí)時(shí)性數據的能力，并且，讓周期與非周期性數據在同一網(wǎng)絡(luò )中傳輸，這樣會(huì )大大簡(jiǎn)化整個(gè)智能集成的工作量，并且變得更為簡(jiǎn)單。

圖8 TSN網(wǎng)絡(luò )參考

圖8是TSN網(wǎng)絡(luò )參考，與其它網(wǎng)絡(luò )一樣，由IEEE802.1ASRev來(lái)定義精確的時(shí)鐘同步，然后采用數據隊列的方式進(jìn)行數據的組織，而不同在于IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br采用搶占式MAC的方式來(lái)對高實(shí)時(shí)性數據進(jìn)行傳輸，而IEEE802.1Qbv則采用Time Aware Shaper —為高實(shí)時(shí)數據提供專(zhuān)用的時(shí)間通道，而對其他非實(shí)時(shí)則采用BestEffort的方式進(jìn)行傳輸。

TSN是由一系列技術(shù)標準所構成，表1則列出與工業(yè)相關(guān)的標準、應用領(lǐng)域與名稱(chēng)：

表1 TSN相關(guān)子標準

IEEE802.1Qcc則是針對網(wǎng)絡(luò )與用戶(hù)配置的標準，由圖9可以看到分為集中式用戶(hù)配置與網(wǎng)絡(luò )配置，可以對Qbu、Qbv、QCB等多種機制下的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置。

圖9 基于IEEE802.1Qcc的網(wǎng)絡(luò )配置

可以看到TSN實(shí)際上是為了實(shí)現異構數據交互、實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)數據在同一通道中傳輸而開(kāi)發(fā)的新的數據鏈路層標準。

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求不斷增長(cháng)，智能制造的推進(jìn)，OPCUA和TSN技術(shù)將變得更為迫切與關(guān)鍵。

3 OPC UA TSN架構了未來(lái)智能制造網(wǎng)絡(luò )

在第二節單獨對OPCUA和TSN進(jìn)行了介紹，而正如圖1所示，未來(lái)，這兩個(gè)標準將共同為制造業(yè)帶來(lái)互聯(lián)的基礎。

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現基礎

圖10顯示了OPC UATSN在整個(gè)OSI模型中的位置，但是，實(shí)際上并非這么簡(jiǎn)單，我們可以從OPC UA的機制中看到，實(shí)際上OPC UA包括會(huì )話(huà)、連接已經(jīng)將會(huì )話(huà)層與表示層進(jìn)行了覆蓋，而TSN雖然同樣僅指數據鏈路層，但其網(wǎng)絡(luò )的機制與配置管理可以理解為1~4層的覆蓋。

圖10 OPC UA TSN的網(wǎng)絡(luò )架構

如果這樣來(lái)理解OPC UA TSN，我們就會(huì )發(fā)現，實(shí)際上OPCUA和TSN貫穿了整個(gè)OSI七層模型，使得通過(guò)統一標準與規范實(shí)現了一個(gè)真正的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”—IndustrialInternet。

圖11 基于OPC UA TSN的未來(lái)工業(yè)通信架構

圖11則是整個(gè)基于OPC UATSN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構，我們可以看到，通過(guò)OPCUA在水平方向的不同品牌的控制器的設備可以被集成，而在垂直方向設備到工廠(chǎng)再到云端都可以被OPCUA連接。

而TSN則在控制器、控制器與底層傳感器、驅動(dòng)器之間的物理信息傳輸，OPCUA即可實(shí)現與傳統的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)結合構成數據的多個(gè)維度集成，在未來(lái)也可以通過(guò)TSN與OPCUA的集成實(shí)現全新的制造現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )集成。

4 OPC UA TSN技術(shù)進(jìn)展

4.1 OPC UA  TSN的標準化進(jìn)程

OPC UA已經(jīng)成為IEC標準，并在2017年成為中國國家推薦性標準，在2018年發(fā)布了基于Pub/Sub的機制作為OPC UA的補充機制，在Part 13部分由IEC發(fā)布。

TSN目前由IEEE標準組織進(jìn)行標準的制定工作，目前已經(jīng)完成的狀態(tài)如圖12所示。TSN標準進(jìn)程已經(jīng)完成的包括IEEE802.1Qbv、Qca，圖12為2017年的狀態(tài)。

圖12  TSN目前標準進(jìn)展

4.2 產(chǎn)業(yè)推進(jìn)

目前OPC UA和TSN的進(jìn)展處于研發(fā)階段的多，公開(kāi)發(fā)布產(chǎn)品的較少，2016年德國SPS展上，貝加萊發(fā)布了基于OPC UA TSN的測試系統，如圖13，在該系統中，由200個(gè)I/O節點(diǎn)和5個(gè)高清視頻所構成的OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò )，對數據進(jìn)行一次刷新的響應達到100μS。

 圖13  基于OPC UA TSN的測試單元

2018年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，包括SIEMENS等眾多廠(chǎng)商也開(kāi)始發(fā)布TSN產(chǎn)品。

4.3　測試與驗證平臺

在2018漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、Avnu聯(lián)盟、Fraunhofer FOKUS、華為、貝加萊（B&R）、施耐德電氣、和利時(shí)、美國國家儀器（NI）、TTTech、思博倫通信（Spirent Communications）等超過(guò)20家國際組織和業(yè)界知名廠(chǎng)商，聯(lián)合發(fā)布包含六大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN+OPC UA智能制造測試床。這代表著(zhù)IT與OT融合的最新推進(jìn)，也是OPC UA TSN進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段的里程碑。

 圖14  2018年漢諾威展TSN-OPC UA測試床發(fā)布

5 總結

OPC UA與TSN代表了未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)趨勢，也代表著(zhù)OICT融合的實(shí)現道路，本文主要從OT的視角來(lái)理解OPC UA和TSN，對于IT端的應用而言，OPC UA TSN提供了訪(fǎng)問(wèn)的便利，然后才能進(jìn)而產(chǎn)生業(yè)務(wù)模式的創(chuàng )新，基于邊緣計算的產(chǎn)業(yè)應用場(chǎng)景，基于云連接的智能優(yōu)化，以及產(chǎn)業(yè)業(yè)務(wù)模式的轉變，真正實(shí)現數字化轉型。

作者簡(jiǎn)介：

宋華振（1972-），男，工程師，現任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理，多年從事工業(yè)自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)和實(shí)施工作，現主要從事市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)策劃和市場(chǎng)分析工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年7月刊