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OPC UA TSN-面向未来的工业通信

作者:www.cechina.cn2018.08.16阅读 33721

  尽管OICT融合是一个产业共识,然而,真正推动却并非想象那么简单,而我们在讨论智能制造的各种实现途径,包括边缘计算大数据工业互联网工业物联网的时候,我们遇到的第一个问题实际上是连接问题,如果不解决这个问题则无法推进其它问题的实现。

  一 IT与OT融合难度在哪里?
  1.1现场总线到实时以太网

  图1是一个对于制造业现场的通信网络进行了简要的描述,相对于传统的PLC集中式控制,现场总线为工业控制系统带来了很多便利,通过统一的总线连接实现了分布式控制控制工程网版权所有,并且通过总线使得接线变得更为简单,而系统的配置、诊断的工作量因此也下降,因此,现场总线是为制造业现场带来很多便利的技术,然而,各家公司都开发了自己的总线,在IEC的标准中也有多达20余种总线。总线本身是带来便利的,但是,不同的总线又造成了新的壁垒,因为各家公司的业务聚焦、技术路线的不同,使得各个现场总线在物理介质、电平、带宽、节点数、校验方式、传输机制等多个维度都是不同的,因此造成了同一总线标准设备可以互联,而不同总线设备则无法互联。


  图1-OPC UA TSN技术的产生基础原因


  这也是因何实时以太网技术在21世纪初开始投入使用的原因CONTROL ENGINEERING China版权所有,2001年贝加莱推出POWERLINK实时以太网是工业领域第一个实时以太网,相较于传统总线,实时以太网的好处在于物理介质、节点数、距离、带宽、校验、诊断都统一采用标准的IEEE802.3网络,因此在这个层面上,大家实现了统一。
  1.2 互连互通与互操作
  但是,实时以太网只是解决了物理层与数据链路层的问题,对于应用层而言,仍然无法联通—按照IEC的标准,通信连接分为互连、互通、互操作多个层级,各个实时以太网是基于原有的三层网络架构(物理层、数据链路层、应用层),在应用层采用了诸如Profibus、CANopen等协议,而这些协议又无法实现语义互操作。
  简单理解语义互操作就是“5+5”这样的计算在自动化控制中,是物理的信号直接进行的处理,而对于IT网络传输更多丰富的数据结构与类型时就会需要更多信息,如单位,“5英寸+5厘米”显然是无法进行加法计算的,这个时候我们需要语义规范与标准,以便让不同的系统之间认识到各自每个参数所表达的语义。
  1.3智能时代的工业通信
  在前面我们讨论的是在工业现场水平与垂直方向实现物理信号的采集与信息的传输,但是,到了智能制造时代,我们需要更为全局的数据采集、传输、计算与分析、优化,进而实现制造的高效协同,提升整个生产效率。
  图2简要描述了这一场景,从工厂到供应链的各个环节都需要数据的连接,那么这个时候,IT与OT的融合会遇到如下复杂性:


  图2-工业物联网的应用场景


  ●总线的复杂性带来的障碍
  总线的复杂性不仅为制造现场带来复杂性,也同样为IT访问OT带来了巨大的障碍,因为为了不同的数据访问就得写不同的网络驱动程序CONTROL ENGINEERING China版权所有,对于老的工厂采用的不同的物理介质的现场总线还需要配置额外的网络适配模块,然后就是在软件层面的驱动程序,即使采用实时以太网,语义仍然需要编写不同的接口程序,而丰富的现场总线与应用层组合出成千上万种可能,这使得IT为了配置网络、数据采集与连接、数据预处理等工作花费巨大,这使得实现这件工作缺乏经济性—这是技术推进难的首要障碍,如果无法经济的实施项目,那么就没有投入的必要。
  ●周期性与非周期性数据的传输
  IT与OT数据的不同也使得网络需求差异,这使得往往采用不同的机制,对于OT而言,其控制任务是周期性的,因此采用的是周期性网络,多数采用轮询机制,由主站对从站分配时间片的模式,而IT数据往往是非周期性的,由于标准以太网无法满足周期性的确定性传输以及微秒级的实时性,才开发了POWERLINK、Profinet等基于以太网的协议,然而,这些都无法在一个网络里传输两种不同的数据。
  ●实时性的差异
  由于实时性的需求不同,也使得IT与OT网络有差异,对于微秒级的运动控制任务而言,要求网络必须要非常低的延时与抖动,而对于IT网络则往往对实时性没有特别的要求,但对数据负载有着要求。
  二 OPC UA TSN的角色
  图3描述了OPC UA TSN在整个ISO-OSI模型中所处的位置,我们可以看到,OPC UA主要解决在应用层的问题,而TSN实质上是处于数据链路层。


  图3-OPC UA和TSN在ISO-OSI模型中所处的位置


  相对而言,OPC UA出现的更早一些,因此,我们先介绍OPCUA的角色与意义,再谈TSN。
  2.1 OPC UA的角色与意义
  OPC UA的角色
  OPC UA扮演的角色主要基于下面的问题,在IEC关于互联技术报告中提到互联、互通、语义互操作多个层面的问题(图4中的不兼容、共存不考虑,互换目前无法做到),而OPC UA主要解决在语义互操作的问题上。


  图4-IEC技术报告关于通信互联的层级定义


  OPC UA的核心问题-信息模型


  图5-OPC UA的架构


  尽管OPC UA有非常多的使用原因,包括非盈利组织、IEC标准、安全性,但是,对于智能制造而言,多个设备之间的协同(M2M)以及业务管理系统与产线的协同(B2M)、业务单元间的数据(B2B)都需要OPC UA的协同。
  图6是一个针对塑料行业的信息模型—采用OPC UA标准与规范开发的,应用于注塑机与辅机、注塑机与MES系统之间的信息交互,而同样,OPC UA基金会与OMAC/PackML—针对包装工业的垂直行业信息模型,MTConnect—针对机床工具、AutomationML—汽车工业、BacNet—针对楼宇、ISA-针对MES系统,以及各个现场总线基金会组织如PI、EPSG、ETG等合作,使得OPC UA成为共同支持的语义互操作层面的规范与标准。


  图6-针对塑料行业的信息模型


  而图7则是Industry 4.0中Administration Shell的定义采用OPC UA进行描述的示例。


  图7-基于OPC UA的管理壳设计


  因此,我们可以看到,OPC UA在整个OICT融合中扮演了非常重要的角色,而由于OPC UA基金会的公益性、IEC62451标准等原因,使得OPC UA获得了全球最主要的自动化厂商的支持,目前OPC UA基金会是最为活跃,规模达到4000多厂商的全球性标准化组织。
  2.2 TSN与TSN的角色
  相对而言,TSN技术才刚刚开始进入产业视野,但是,TSN技术并非是最近几年才有,最初它是被应用于音频/视频同步的场景CONTROL ENGINEERING China版权所有,而之后随着汽车工业中无人驾驶/辅助驾驶技术的需要,TSN也被纳入了开发中,而在2012年原有的IEEE802.1Q成立针对工业互联网的实时性工作组,称为IEEE802.1TSN。
  TSN应用于解决之前我们在第一节所谈到的话题:周期性数据与非周期性数据的传输问题,实时与非实时数据的传输问题,原有的标准以太网IEEE802.3没有确定性,因此才开发了各种实时以太网,而今天,采用TSN使得标准以太网具有传输实时性数据的能力,并且,让周期与非周期性数据在同一网络中传输,这样会大大简化整个智能集成的工作量,并且变得更为简单。


  图8-TSN网络参考


  图8是TSN网络参考,与其它网络一样,由IEEE802.1AS Rev来定义精确的时钟同步,然后采用数据队列的方式进行数据的组织,而不同在于IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br采用抢占式MAC的方式来对高实时性数据进行传输,而IEEE802.1Qbv则采用Time Aware Shaper—为高实时数据提供专用的时间通道,而对其他非实时则采用BestEffort的方式进行传输。
  TSN是由一系列技术标准所构成,表1则列出与工业相关的标准、应用领域与名称:


  表1-TSN相关子标准


  IEEE802.1Qcc则是针对网络与用户配置的标准,由图9可以看到分为集中式用户配置与网络配置,可以对Qbu、Qbv、QCB等多种机制下的网络进行配置。


  图9-基于IEEE802.1Qcc的网络配置


  可以看到TSN实际上是为了实现异构数据交互、实时与非实时数据在同一通道中传输而开发的新的数据链路层标准。
  由于工业互联网的需求不断增长,智能制造的推进www.cechina.cn,OPC UA和TSN技术将变得更为迫切与关键。
  三 OPC UA TSN架构了未来智能制造网络
  在第二节单独对OPC UA和TSN进行了介绍,而正如图1所示,未来,这两个标准将共同为制造业带来互联的基础。
  3.1工业互联网的实现基础
  图10显示了OPC UA TSN在整个OSI模型中的位置,但是,实际上并非这么简单,我们可以从OPC UA的机制中看到,实际上OPC UA包括会话、连接实际上已经将会话层与表示层进行了覆盖,而TSN同样虽然仅指数据链路层,但其网络的机制与配置管理可以理解为1-4层的覆盖。


  图10-OPC UA TSN的网络架构


  如果这样来理解OPC UA TSN,我们就会发现,实际上OPC UA和TSN贯穿了整个OSI七层模型,使得通过统一标准与规范实现了一个真正的“工业互联网”—Industrial Internet。


  图11-基于OPC UA TSN的未来工业通信架构


  图11则是整个基于OPC UA TSN的工业互联网架构,我们可以看到,通过OPC UA在水平方向的不同品牌的控制器的设备可以被集成,而在垂直方向设备到工厂再到云端都可以被OPC UA连接。
  而TSN则在控制器、控制器与底层传感器、驱动器之间的物理信息传输,OPC UA即可实现与传统的实时以太网结合构成数据的多个维度集成,在未来也可以通过TSN与OPC UA的集成实现全新的制造现场网络集成。
  四 OPC UA TSN技术进展
  4.1 OPC UA TSN的标准化进程
  OPC UA已经成为IEC标准,并在2017年成为中国国家推荐性标准,在2018年发布了基于Pub/Sub的机制作为OPC UA的补充机制,在Part 13部分由IEC发布。
  TSN目前由IEEE标准组织进行标准的制定工作,目前已经完成的状态如表2。
  表2-TSN标准进程-已经完成的包括IEEE802.1Qbv、Qca,表2为2017年的状态,要想了解IEEE802.1标准的进程可以访问ieee802.org官方网站获取详细信息。


  表2-TSN目前标准进展


  4.2产业推进
  目前OPC UA和TSN的进展处于研发阶段的多,公开发布产品的较少,2016年德国SPS展上,贝加莱发布了基于OPC UATSN的测试系统,如图12,在该系统中,由200个I/O节点和5个高清视频所构成的OPC UA TSN网络,对数据进行一次刷新的响应达到100μS。


  图12-基于OPC UA TSN的测试单元


  2018年汉诺威展上,包括SIEMENS等众多厂商也开始发布TSN产品。
  4.3测试与验证平台
  在2018年4月汉诺威展上,由华为联合ABB、B&R、Schneider、ARM等企业共同发布共建OPC UA TSN的测试床的发布会,这代表着IT与OT融合的最新推进,也是OPC UA TSN进入实质阶段的里程碑。


  图13-2018年汉诺威展TSN-OPC UA测试床发布


  总结
  OPC UA与TSN代表了未来工业互联网的技术趋势,也代表着OICT融合的实现道路,本文主要从OT的视角来理解OPC UA和TSN,对于IT端的应用而言,OPC UA TSN提供了访问的便利,然后才能进而产生业务模式的创新,基于边缘计算的产业应用场景,基于云连接的智能优化,以及产业业务模式的转变,真正实现数字化转型。

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