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里程碑!支持TSN、APL和5G的OPC UA FLC——工业通信的未来王者?

来源:控制工程网2022.02.09阅读 7770

  OPC UA(统一架构)经过不断扩展,已支持使用时间敏感网络(TSN)和先进物理层以太网(Ethernet-APL)以及控制器到控制器通信作为计划中的标准工业互操作性连接的一部分。
  自2018年11月推出两年后,OPC基金会现场级通信(FLC)计划已经完成了基于OPC UA现场交换(UAFX)的初始候选版本,可用于"控制器到控制器"的通信应用。这标志着通过Ethernet-APL和TSN等关键技术,OPC UA作为标准化的现场级工业互操作性解决方案的重要里程碑。
  FLC计划发表了一份40页的技术论文,详细介绍了将OPC UA扩展到现场层的技术方法和基本概念,以满足工厂和过程自动化的各种要求和用例。
  截至2021年3月,FLC计划已有27家公司参与,包括全球领先的自动化制造商控制工程网版权所有,已加入该计划的指导委员会,为其提供资金、人员和技术知识的支持。共同目标是将OPC UA的范围扩展到现场层,并使OPC UA成为工厂和过程自动化中统一、一致的通信标准(图1)。在向所有OPC基金会成员开放的技术工作组中,来自60多家公司的300多名专家控制工程网版权所有,正在努力开发适用的概念和规范。
  控制器到控制器的原型
  虽然有COVID-19疫情的限制,但在过去的一年里www.cechina.cn,第一版规范的相关工作进展顺利。控制器到控制器(C2C)用例的基本概念已经形成www.cechina.cn,并纳入了第一版规范草案。第一个候选版本已于2020年11月完成,并已实施原型以验证规范草案。工作组正在制定测试规范,这些规范正被转换为OPC UA合规性测试工具(UACTT)的测试用例。

图1:OPC UA可以作为一个集成的通信解决方案运行到现场层级。本文图片来源:OPC基金会

  在规范的第二个版本中,已经开发的概念被扩展到控制器到设备(C2D)和设备到设备(D2D)的用例中,因此OPC UA可以用作跨所有自动化层的统一和一致的通信方式(图2)。这开辟了新的可能性,特别是在不同的工业4.0应用场景以及信息技术(IT)和运营技术(OT)融合的应用中。
  现场层通信:系统架构
  FLC计划指定的扩展是基于OPC UA框架(IEC 62541),它实现了安全可靠、独立于制造商和平台的信息交换(图3)。控制器和现场设备都支持面向连接的客户端/服务器通信模型和发布/订阅扩展模式,由于现场对灵活性、效率和确定性的需求,这对于现场通信是必不可少的。
  除此之外,还使用了OPC UA中指定的安全机制,其中包括身份验证。身份验证涉及数据签名和传输加密,可用于客户端/服务器和发布/订阅通信关系。
  FLC计划的初始候选版本于2020年11月完成,由4个子规范(OPC UA Parts 80-83)组成www.cechina.cn,侧重于控制器到控制器通信,通过点对点连接和基本诊断来交换过程和配置数据:

图2:图中显示了OPC UA的用例以及现场层的扩展(控制器到控制器C2C、控制器到设备C2D和设备到设备D2D)。

  ● 第80部分(OPC 10000-80)包括介绍并概述了扩展OPC UA以与/在现场进行通信的基本概念。
  ● 第81部分(OPC 10000-81)指定了控制器和现场设备(自动化组件)的基本信息模型以及通信概念,以满足工厂和过程自动化的各种用例和要求。
  ● 第82部分(OPC 10000-82)描述了网络服务,例如拓扑检测和时间同步。
  ● 第83部分(OPC 10000-83)描述了使用描述符和数据包进行离线工程交换信息所需的数据结构。
  支持TSN、APL和5G的OPC UA
  OPC UA框架与传输无关,可与各种底层通信协议和传输物理一起使用。在将OPC UA扩展到工厂和过程自动化中的所有用例和要求的过程中,Ethernet-APL和TSN被OPC基金会视为其战略的重要组成部分,是创建可扩展的工业互操作解决方案愿景的一部分。
  使用TSN可以促进建立在OPC UA之上的确定性数据传输,这对于要求苛刻的自动化应用是必不可少的。此外,TSN允许使用标准化硬件和公共网络基础设施,来运行不同的应用和协议。这使融合的工业自动化网络得以实施,其中的各种IT和OT协议可以共存。
  FLC工作组正在研究,哪些TSN标准应强制用于基于OPC UA的终端设备和基础设施组件,以满足对性能、灵活性和易用性的特定要求。OPC基金会已明确承诺支持IEC/IEEE 60802工作组正在开发的TSN-IA(工业自动化)配置文件。为此,OPC基金会已与标准化机构IEC SC65C和IEEE 802.1签订了合作协议。
  Ethernet-APL描述了专为过程工业要求而开发的以太网物理层。Ethernet-APL支持长距离高速数据传输、通过公共双绞线电缆提供能量和数据,以及在危险区域安全使用的保护措施。Ethernet-APL可用于在过程工业中启用OPC UA和其它基于以太网的协议。OPC基金会于2020年6月加入Ethernet-APL项目,与其它非营利组织和各工业伙伴一起合作开发和推广APL。
  通过OPC UA进行的数据交换,不局限于有线或无线以太网通信。支持5G移动通信标准是OPC基金会的发展计划之一。5G映射将无缝集成到现有的OPC UA架构中,因此OPC UA FLC计划的所有协议和配置文件的扩展,都可以通过以太网、TSN以及未来的5G使用。

图3:基于OPC UA的系统架构可以包括现场层的扩展。

  工业自动化互操作性
  OPC UA框架(IEC 62541)与FLC计划规定的现场层扩展,结合APL、TSN和5G等底层通信标准,提供了一个完整、开放、标准化和可互操作的解决方案。它满足工业通信要求,并实现了从现场到云端的一致性和语义互操作性(图4)。通过这种方法,使用各种OPC UA配套规范可以在数据源处使用标准化语义提供信息。

图4:显示了从传感器到云的与OPC UA的语义互操作性。

  考虑使用APL电缆时,流量计提供标准化的"OPC UA流量测量数据"的情况。当伺服驱动器被集成到一个具有以太网TSN的机器网络中时,伺服驱动器可以处理标准化的 "OPC UA驱动设定值",并提供标准化的"OPC UA实际驱动值"。 (作者:PeterLutz)

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