今天的形勢

當我們討論工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的時(shí)候，它的基礎是基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)同而實(shí)現的，傳統的IT主要對于高帶寬的需求，而OT則強調其低延時(shí)，盡管物理的介質(zhì)、互聯(lián)的接口都已經(jīng)有了，而在異構網(wǎng)絡(luò )連接中的“語(yǔ)義互操作”問(wèn)題卻沒(méi)有統一而一致的標準。

圖1反映了以下這些問(wèn)題：缺乏可連接性，主要表現在語(yǔ)義互操作的接口標準與規范問(wèn)題方面；而IoT的挑戰則在于高帶寬與低延時(shí)在新的工業(yè)場(chǎng)景中同時(shí)出現――傳統的工業(yè)現場(chǎng)主要基于“等時(shí)同步”的控制循環(huán)，其需要低延遲的確定性網(wǎng)絡(luò )，而當前如視覺(jué)、振動(dòng)等應用則需要同時(shí)具備高帶寬和低延時(shí)特性。至于邊緣計算則需要大量的數據傳輸和智能分析。隨著(zhù)AR/VR和機器視覺(jué)的更為廣泛的應用，這些問(wèn)題將比以往更加突出。

圖1-工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰

OPC UA TSN的角色

這也是OPC UA TSN在過(guò)去幾年里一直變得非常流行的原因，OPC UA和TSN共同用于解決我們所面臨的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)難題。

圖2-OPC UA和TSN的角色定位

OPC UA主要解決“安全的語(yǔ)義互操作”，OPC UA確保異構網(wǎng)絡(luò )中的數據能夠按照統一的標準來(lái)定義，這樣，它主要聚焦在ISO/OSI模型的應用、會(huì )話(huà)、表示三個(gè)層面，建立連接、用統一的信息模型規范來(lái)表達應用場(chǎng)景中的“設備行規”。

TSN則解決“實(shí)時(shí)”與“非實(shí)時(shí)”數據的同一網(wǎng)絡(luò )傳輸問(wèn)題，它在ISO/OSI模型的數據鏈路層，TSN由一系列的標準構成，主要是解決時(shí)鐘同步、數據調度、網(wǎng)絡(luò )配置的問(wèn)題。

信息模型

事實(shí)上，OPC UA比我們想象的更為強大，它要解決的問(wèn)題包括了連接、安全、信息模型多個(gè)層次的問(wèn)題，圖3是整個(gè)OPC UA的結構，我們可以看到它支持幾個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）連接問(wèn)題：對于C/S架構的，包括支持TCP,WebSocket/http的傳輸機制，另外也開(kāi)發(fā)了針對Pub/Sub機制的連接，包括最新的架構中對于MQTT/AMQP方面的支持，這使得通過(guò)OPC UA即可方便的與云端應用系統進(jìn)行連接，而且更低的流量消耗。

（2）信息模型：是構成OPC UA的核心，它指為了實(shí)現協(xié)同所需的信息模型，包括了基礎元模型（DA,HA,AC,程序），以及伴隨信息模型，或稱(chēng)為行業(yè)信息模型，如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等。

（3）安全的傳輸機制，在整個(gè)C/S或Pub/Sub、信息模型的傳輸過(guò)程中，都包括了安全的連接建立、數據加密機制，這些依賴(lài)于信息安全標準的集成。

圖3-OPC UA模型

OPC UA對于整個(gè)工業(yè)4.0的實(shí)現都至關(guān)重要，除了在設備、產(chǎn)線(xiàn)層的控制任務(wù)數據傳輸，OPC UA還能負責在運營(yíng)管理層的數據交互，這些在工業(yè)4.0的實(shí)現中，如圖4均有定義，而OPC UA在系統的配置、管理認證、建模等均有應用空間，即，通過(guò)OPC UA實(shí)現對業(yè)務(wù)數據的交互—水平方向，以及垂直方向從傳感器到云端的連接，也包括端到端的連接，即不同業(yè)務(wù)單元如供應鏈的設計、生產(chǎn)制造、運營(yíng)維護的數據連接。

圖4-OPC UA在整個(gè)工業(yè)4.0實(shí)現中的角色

因此，我們可以看到，OPC UA對于實(shí)現工業(yè)4.0、IIoT的傳輸至關(guān)重要，無(wú)所不在的傳輸才能奠定整個(gè)數字化、信息化的基礎。

TSN-熱度最大的通信技術(shù)

TSN并非今天才有，而是最早在音視頻領(lǐng)域，包括現在在航空航天、軌道交通、汽車(chē)等領(lǐng)域都已經(jīng)開(kāi)始了TSN的研發(fā)與應用，工業(yè)領(lǐng)域是2015年的TSN工作組成立為起點(diǎn)，事實(shí)上，TSN是由一系列的IEEE標準構成，圖5來(lái)自IEEE官方關(guān)于TSN標準的構成，它包括了以下幾個(gè)方面的標準：

（1）時(shí)鐘同步：基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev，采用廣義精確時(shí)鐘同步技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò )的延遲進(jìn)行測量和計算，并確保數據傳輸的高精度時(shí)間基準。

（2）整形器設計：為不同的應用場(chǎng)景定義了不同的“shaper”（整形器），如為IEEE802.1Qav采用了基于信用的整形器（Credit-BasedShaper），為工業(yè)實(shí)時(shí)場(chǎng)景的IEEE802.1Qbv采用TAS（Time AwarenessShaper），以及搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的組合，其它還包括為異步數據流所定義的ATS（基于IEEE802.1Qcr）。

圖5-TSN相關(guān)標準（Source:http://www.ieee.org）

（3）可靠性標準：IEEE802.1Q工作組還定義了IEEE802.1CB的幀復制與消除標準，以及IEEE802.1Qci幀檢測過(guò)濾與報錯標準。

（4）資源管理：包括流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol）的IEEE802.1Qat，用于配置用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò )的增強的流預留協(xié)議IEEE802.1Qcc，以及基本YANG模式的802.1Qcp和為Qbv,Qub,Qci所用的YANG標準IEEE802.1PQcw（尚在制定中的標準）。

走在OPC UA TSN的前沿

全球主要廠(chǎng)商聚焦OPC UA規范。在2018年SPS上OPC UA基金會(huì )組織了媒體會(huì )議，共同推動(dòng)OPC UA over TSN的技術(shù)推動(dòng)與實(shí)現，由全球核心的OICT廠(chǎng)商ABB、華為、SIEMENS、貝加萊、博世力士樂(lè )、施耐德等主要的廠(chǎng)商均加入其中。

圖6-2018年SPS全球主要的OICT廠(chǎng)商共同支持OPC UA工業(yè)互操作標準

貝加萊作為整形器的主要參與者

TSN的系列標準主要差別在于數據流管理的“整形器”Shpaer方面的制定，這些貝加萊也作為積極的參與者，自2015年成立工作組即積極參與其中，并與TTTech、華為等公司一起開(kāi)發(fā)TSN產(chǎn)品、交換機、測試與驗證系統，并積極參與工作組的會(huì )議，發(fā)揮自身在工業(yè)領(lǐng)域豐富的應用與研發(fā)經(jīng)驗。

圖7-貝加萊積極參與TSN的整形器標準制定工作

2016年在維也納由TTTech和貝加萊共同組織了TSN整形器工作組啟動(dòng)會(huì )議，此次會(huì )議定義該工作組旨在“定位于滿(mǎn)足在傳感器、執行器、控制器以及云端所有工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景需求的開(kāi)放、統一、標準的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信方案”

作為最早將TSN產(chǎn)品發(fā)布的公司，在2017的SPS上，貝加萊首先展出了OPC UA TSN的產(chǎn)品演示系統，由200個(gè)I/O站、5個(gè)高清攝像頭共同、1個(gè)工業(yè)PC、2臺交換機共同構成的系統，測試其響應達到100μS，成為了2017年SPS的亮點(diǎn)。

圖8-貝加萊在2018年SPS展會(huì )上的OPC UA TSN系統

圖8是2018年貝加萊在德國SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。

場(chǎng)景應用

OPC UA典型應用

看上去OPC UA和TSN僅是一些技術(shù)標準與規范，那么，它在實(shí)際的應用中如何呈現呢？這里我們僅拿幾個(gè)簡(jiǎn)單的例子予以說(shuō)明—因為OPC UA TSN的應用領(lǐng)域之廣泛遠非我們想象。

1.mappVIEW

可能你沒(méi)有想到，對于HMI的設計居然也有OPC UA的事，是的，在貝加萊的mappVIEW中就采用了OPC UA作為“中間服務(wù)器”，傳統的HMI和控制器之間有緊密的綁定關(guān)系，因此，程序的修改會(huì )導致HMI畫(huà)面的修改，而HMI修改也會(huì )導致程序的修改，有了OPC UA做中間隔離后，就可以實(shí)現程序與HMI的獨立（軟件工程稱(chēng)為“關(guān)注點(diǎn)分離”-SeparteofConcern），這樣可以實(shí)現模塊化的軟件設計。

圖9-基于OPC UA實(shí)現的mappVIEW

由于OPC UA支持“角色”，這使得針對不同的用戶(hù)（總經(jīng)理、電氣經(jīng)理、操作人員）有不同的訪(fǎng)問(wèn)數據的權限，而這些僅簡(jiǎn)單配置即可，而無(wú)需以前復雜的編程。

事實(shí)上，與傳統嵌入式HMI的開(kāi)發(fā)不同，基于OPC UA本身的http,WebService，可以開(kāi)發(fā)基于Web技術(shù)的畫(huà)面，包括自適應能力、多點(diǎn)觸摸能力、表格、曲線(xiàn)的繪制都會(huì )變得簡(jiǎn)單。

mappVIEW精彩的HMI設計即基于OPC UA本身的SoA，服務(wù)器架構。

2.Euromap

垂直行業(yè)信息模型是另一個(gè)OPC UA的關(guān)鍵，對于不同行業(yè)，其所需要的數據傳輸、信息模型是不同的，如在塑料行業(yè)，模具、機械手、模腔溫度、壓力等參數是必須的，而在制藥行業(yè)審計追蹤是必要的，在機床行業(yè)主軸轉速是必要的，這些行業(yè)的差異使得對信息的構建也不同。

信息模型會(huì )簡(jiǎn)化行業(yè)工程應用所消耗的時(shí)間，而無(wú)需復雜編程，通過(guò)簡(jiǎn)單的模型調用即可獲得相關(guān)的參數，圖10即顯示了塑料行業(yè)的信息模型。

圖10-Euromap垂直行業(yè)信息模型也集成到OPC UA規范中

3.OPC UA TSN開(kāi)拓了IIoT應用

在今天，我們探討工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的時(shí)代卻遇到非常多的困難，因為最直接的困難在于現場(chǎng)有非常豐富的現場(chǎng)總線(xiàn)和各種應用協(xié)議，這些導致了IT對現場(chǎng)的訪(fǎng)問(wèn)必須編寫(xiě)非常多的驅動(dòng)程序和增加額外的設備，而OPC UA TSN解決了這些問(wèn)題，就像圖11所示，在貝加萊的系統中，通過(guò)OPC UA TSN，即可以在一個(gè)傳統的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )域中保持原有的應用，并可以通過(guò)帶有OPC UA TSN接口的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現兼容性通信，也可以與第三方網(wǎng)絡(luò )通過(guò)OPC UA TSN實(shí)現通信，消除了在橫向集成中的網(wǎng)絡(luò )障礙。

對于云端應用同樣如此，由于OPC UA TSN實(shí)現了異構網(wǎng)絡(luò )中的語(yǔ)義互操作，不僅在橫向，在縱向、端對端的交互中同樣扮演關(guān)鍵角色，而TSN則將延遲更低、帶寬更高的視覺(jué)、AR/VR等也能夠同時(shí)傳輸。

圖11-基于OPC UA TSN的架構

OPC UA TSN解決了傳統工業(yè)現場(chǎng)的傳輸復雜性問(wèn)題，而使得IIoT、智能制造推進(jìn)中的OICT融合得以完美實(shí)現。

因此，我們可以知道OPC UA TSN對智能制造、IIoT何其重要。

欲了解貝加萊在OPC UA TSN的最新技術(shù)進(jìn)展和應用，請訪(fǎng)問(wèn)貝加萊深圳機械展展臺。

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集團全球機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化業(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。