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原作者：

Dietmar Bruckner¹， Rick Blair²， Marius-petru Stanica³，A. Astrit Ademaj⁴，Wesley Skeffington⁵，Dirk Kutscher⁶，Sebastian Schriegel⁷，R. Wilmes⁸，Karl Wachswender⁹，Ludwig Leurs¹⁰，M. Seewald¹¹，Rene Hummen¹²，E-C. Liu¹³，S. Ravikumar¹⁴

（1. 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化；2. 施耐德電氣；3. ABB；4. TT Tech；5.通用電氣；6.華為技術(shù)；7.Fraunhofer IOSB-INA；8.菲尼克斯電氣；9.英特爾；10.博世力士樂；11.思科；12.赫斯曼；13.摩莎；14.KalycitoInfotech）

編 譯：

 宋華振，周曉霞，朱亮

（貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司，上海 200233）

摘要：在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成中，不同廠商一般都有自己的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。目前工業(yè)數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域由基于以太網(wǎng)的各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)主導(dǎo)，雖然它們有著相似的要求和細(xì)分市場，但是它們的實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)差別卻很大。價(jià)值鏈中的利益相關(guān)者通常在其特定技術(shù)的決策方面并不完全一致，因此，終端客戶和設(shè)備制造商不得不購買和掌握諸多產(chǎn)品和技術(shù)，這就大大提高了使用成本。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN與OPC UA的結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊。

OPC UA TSN作為獨(dú)立于某一特定廠商的后繼技術(shù)，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中，可以獲得良好的適用性并實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化配置。我們發(fā)現(xiàn)，通過選擇正確的一系列功能特性，它能夠滿足今天和未來的工業(yè)通訊要求，同時(shí)在此期間還可利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件的成本效益。當(dāng)保持每種方法的獨(dú)特性能時(shí)，由AVB演變而來的TSN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)還同時(shí)能夠執(zhí)行各類工業(yè)通訊任務(wù)。OPC UA是針對(duì)嵌入式應(yīng)用的源自O(shè)PC通信標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)重大演進(jìn)。被描述為發(fā)布/訂閱的最新進(jìn)展則更進(jìn)一步，旨在為嵌入式設(shè)備在較小空間內(nèi)優(yōu)化性能。增加了用于描述數(shù)據(jù)的元模型，以及用于交換和瀏覽信息的通訊基礎(chǔ)架構(gòu)。此外，OPC UA還帶有一個(gè)內(nèi)置的安全模型，可以根據(jù)即將出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 62443來幫助實(shí)施安全系統(tǒng)。我們期望，OPC UA TSN將會(huì)很快被認(rèn)為是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的游戲規(guī)則改變者，成為建立從傳感器到云端的整體通訊基礎(chǔ)架構(gòu)的首要也是唯一的候選者。

關(guān)鍵詞：工業(yè)數(shù)據(jù)通訊； OPC UA TSN；IT和OT無縫融合；循環(huán)周期；數(shù)據(jù)鏈路層

Abstract:  In industrial automation system integration, generally, each of manufacturers has own standard and protocol for data communication. At present, industrial data communication domain is dominated by Ethernet-based diverse fieldbus systems, although they share similar requirements and market segments, but their implementations and ecosystems are very different. Stakeholders in the value chain are usually not completely consistent in their decisions for particular technologies, therefore, end customers and device manufacturers have to purchase and master numerous products and technologies; as a result, the cost of using is greatly increased. The combination of time-sensitive network (TSN) and OPC UA is able to realize the data communications from field layer, via  control layer and management layer and till to the . By means of OPC UA TSN, that as a specific vendor-independent successive technology, IT and OT are fused into the project of fieldbus seamlessly, thus a well applicability  can be obtained and an automation configuration with higher level can be realized. We have found that, by choosing a series of correct functional features, OPC UA TSN is able to meet the industrial communication requirements both for today and the future, meanwhile the cost benefits of standard Ethernet hardware can be utilized in the mid-term. The TSN network infrastructure as an evolution of AVB is simultaneously able to carry out all types of industrial communication tasks, while maintaining the individual properties of each method. OPC UA is a major evolution from the OPC communication standards targeting embedded usage. The latest evolution described as Publish/Subscribe goes further and is aimed at embedded devices, optimizing performance in small footprints. A meta model and a communication infrastructure are added, the former for describing data, and the latter for exchanging and browsing information. Moreover, OPC UA comes with a built-in security model that helps implement secure systems in accordance with upcoming standards like IEC 62443. We anticipate that OPC UA TSN will quickly reveal itself as a changer of game rule in the field of industrial automation, become the first and only candidate for establishing a holistic communication infrastructure from the sensor to the cloud.

Keywords: Industrial data communication; OPC UA TSN; Seamless fusion of IT and OT; Cycle period; Data link layer (DLL)

1 引言

在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成中，客戶的系統(tǒng)編程和組態(tài)軟件工具，當(dāng)然也包括數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通常由組成該系統(tǒng)的PLC或DCS供應(yīng)商提供，不同廠商一般都有自己的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。目前工業(yè)數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域由基于以太網(wǎng)的各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)主導(dǎo)，雖然它們有相似的要求和細(xì)分市場，但是它們的實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)差別卻很大。它們中的大多數(shù)都擁有相應(yīng)的聯(lián)盟組織，由一家大的市場參與廠商引導(dǎo)和資助，并推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。價(jià)值鏈中的利益相關(guān)者通常在其特定技術(shù)的決策方面并不完全一致，因此，終端客戶和設(shè)備制造商面臨著眾多產(chǎn)品和技術(shù)需要生產(chǎn)、運(yùn)行、診斷、維護(hù)和儲(chǔ)備。雖然對(duì)產(chǎn)品和服務(wù)的可用性基本滿意，但是應(yīng)對(duì)多個(gè)解決方案會(huì)產(chǎn)生高昂的成本，并限制了IoT能力。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN 從實(shí)質(zhì)上說是一種能使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性和確定性的新標(biāo)準(zhǔn)。比如Profinet不適合連接云端和移動(dòng)設(shè)備，OPC UA 不適合用于現(xiàn)場級(jí)通訊控制，但TSN 能把諸如Profinet等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線和OPC UA共享到同一個(gè)通訊設(shè)施上，識(shí)別底層IO，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊。OPC UA TSN作為獨(dú)立于某一特定廠商的后繼技術(shù)，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中，可以實(shí)現(xiàn)比以往更高水平的自動(dòng)化配置。此外，由于OPC UA和TSN并非緊密地與某一特定廠商綁定，從而可大大減少出于非技術(shù)原因的人為干預(yù)，其適用性也要比過去不同的現(xiàn)場總線寬廣得多。

2 工業(yè)數(shù)據(jù)通訊

2.1  工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的金字塔結(jié)構(gòu)

今天的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊主要是按照自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔來組織的，如圖1（a）到（c）所示。在塔頂?shù)挠?jì)算機(jī)層，使用標(biāo)準(zhǔn)的IT協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1）。對(duì)于機(jī)器間和過程通訊（分布式控制器層）而言，相較傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)的M2M現(xiàn)場總線系統(tǒng)（PROFINET3、EtherNet/IP4、CC-Link IE5），OPC UA（IEC 625412）所發(fā)揮作用的重要性正在迅速提高。在機(jī)器內(nèi)部（設(shè)備和傳感器層），具有硬實(shí)時(shí)能力（也被稱為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）的協(xié)議占據(jù)主導(dǎo)地位6。根據(jù)市場份額，最重要的協(xié)議是EtherCAT7、PROFINET IRT8、POWERLINK 9和Sercos III10。雖然這些技術(shù)有著共同的要求，但是它們的實(shí)施差別很大。因此，比較它們是一件復(fù)雜的事情，并且很大程度上取決于預(yù)期的應(yīng)用（過程控制、運(yùn)動(dòng)、I/O、集中式和分布式控制等）。努力比較各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議在多個(gè)類別中的性能已經(jīng)由Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織（EPSG）11承擔(dān)。

 （a）自動(dòng)化金字塔各層

（b）現(xiàn)今自動(dòng)化金字塔中獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)

（c）使用OPC UA（和TSN）實(shí)現(xiàn)從傳感器到云端的全面通訊

  圖1  自動(dòng)化金字塔–不同層面的通訊需求

2.2 主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

多年來，一直傾向于根據(jù)它們各自的功能集比較工業(yè)以太 網(wǎng)技術(shù)。

（a）淺綠色：Modbus/TCP                            （b）深橙色：Profinet IRT*)

      黃綠色：SERCOS III                                       綠    色：EtherNet/IP

     紅    色：POWERLINK                                     淡橙色：EtherCATy)

        水綠色：OPC UA TSN                                     水綠色：OPC UA TSN

圖2  最小循環(huán)周期比較@100Mbit

2.2.2  最小循環(huán)周期比較@1Gbit

（a）紫    色：Modbus/TCP                                     （b）灰藍(lán)色：Profinet IRT*)

        深藍(lán)色：SERCOS III                                                 粉紅色：EtherNet/IP

         淡藍(lán)色：POWERLINK                                               中藍(lán)色：EtherCATy)

           品紅色：OPC UA TSN                                               品紅色：OPC UA TSN

圖3  最小循環(huán)周期比較@1Gbit

2.2.3  OPC UATSN @1GBit的最小循環(huán)周期與現(xiàn)有技術(shù)比較

深橙色：Profinet IRT*)

淡橙色：EtherCATy)

紅    色：POWERLINK

品紅色：OPC UA TS

圖4   最小循環(huán)周期與現(xiàn)有技術(shù)比較OPC UATSN @1Gbit

從2.2.1到2.2.3可知，圖2a和圖2b @100Mbit，圖3a和3b @1Gbit，圖4則顯示了OPC UATSN @1GBit與現(xiàn)今的100Mbit技術(shù)的比較，直至設(shè)備最多100個(gè)，有效載荷最大100 byte。以下參數(shù)已被使用：

總線型拓?fù)洌敵鰯?shù)據(jù) = 40%的輸入數(shù)據(jù)，交叉通信用于20%的設(shè)備

轉(zhuǎn)發(fā)延遲@100Mbit：TSN: 3μs，開關(guān)：10 μs，PLK：0.76 μs，EC：1.35 μs，SER：0.63 μs

轉(zhuǎn)發(fā)延遲@1Gbit：TSN：780 ns，開關(guān)：2 μs，PLK：0.76 μs, EC，0.85 μs，SER：0.63 μs

25%的設(shè)備是由20個(gè)插片式模塊化I/O組成（僅影響EtherCAT）

品紅色和水綠色平面的實(shí)現(xiàn)使用了OPC UA Pub/Sub，它在原始以太網(wǎng)上采用了幀聚合技術(shù)。然而，使用Pub/Sub over UDP/IP可能會(huì)顯示不可區(qū)分的平面，而使用單幀可能會(huì)增加有效載荷的循環(huán)周期超過約50 bytes。

圖4顯示，具有千兆位物理層的OPC UA TSN的有利實(shí)施優(yōu)于現(xiàn)有解決方案（基于100M bit）大約18倍。

表1   計(jì)算循環(huán)周期的符號(hào)

然而，更重要的是，特別是在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中技術(shù)的性能，它根據(jù)為特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期[1]進(jìn)行測量。它可以被看作是最具挑戰(zhàn)性的度量，如果一項(xiàng)技術(shù)滿足這項(xiàng)要求，它也可以在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較小的環(huán)境中得以利用。可實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期是PLC發(fā)送全部輸出至其從站12并接收到所有輸入所需的時(shí)間。重要的是，所有從站都要在相同的循環(huán)13內(nèi)接收到來自于PLC的輸出。[2]介紹了一個(gè)基本的方法，用于估算幾種技術(shù)的最小循環(huán)周期。它們的貢獻(xiàn)包括顯示相應(yīng)的最小循環(huán)周期的二維圖作為設(shè)備數(shù)量的函數(shù)。以下將提供基本機(jī)制的綜述。EtherCAT（簡稱：EC）和Profinet IRT（PN）在所分析的技術(shù)之中，將要作為采用幀聚合和基于交換式以太網(wǎng)的技術(shù)的例子。

循環(huán)周期的第一個(gè)組成部分是鏈路傳輸延遲（符號(hào)，見表1）。這是指通過一條具有特定鏈路容量的線路發(fā)送所有幀所需的時(shí)間。集總幀的基本方程是：

τ=

remainder是填充最小尺寸的以太網(wǎng)幀（84 bytes，包括幀間距）所需的bytes數(shù)量。具體針對(duì)EC而言，公式可轉(zhuǎn)換為14：

τ=

應(yīng)當(dāng)注意的是，這個(gè)公式只考慮了一個(gè)幀。如果最大的以太網(wǎng)幀大小不夠，必須發(fā)送至少一個(gè)最小尺寸的幀。另外，由于設(shè)備訂閱有效載荷不能跨多個(gè)幀分割，因此最大的以太網(wǎng)幀大小將不會(huì)達(dá)到，數(shù)據(jù)將不得不在第二（第三，…）幀中發(fā)送。

循環(huán)周期的第二個(gè)組成部分是幀通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)包括電線在內(nèi)的傳播延遲。對(duì)于EC而言，幀通過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出并送回，導(dǎo)致最小循環(huán)周期為：

14方程中的特定數(shù)字總是表示header的大小、最小以太網(wǎng)幀中的有效載荷空間和訂閱消息header的大小。相關(guān)詳細(xì)解釋，請參閱其它腳注中的協(xié)議定義。

對(duì)于PN，必須考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各幀，致使每幀14τ=

這將假定幀預(yù)定依次到達(dá)PLC，然后第一個(gè)從站的幀通過一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)加上一根電纜。這導(dǎo)致最小循環(huán)周期為：

這里介紹的所有方程都假設(shè)了簡單的情況，其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為完美的總線型。然而在實(shí)際應(yīng)用中，這種比較取決于許多其它參數(shù)：

輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率

具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比

利用不同的循環(huán)周期

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型），以及設(shè)備之間的跳數(shù)

帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性

假設(shè)更具現(xiàn)實(shí)價(jià)值的結(jié)果如圖2a –圖2b（使用100 Mbit）所示。使用不同的鏈路容量（1 Gbit）明顯改變了這種情況，因?yàn)橹挥醒h(huán)周期的傳輸延遲成分–而非網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成分–可以減少10倍（見圖3a - 3b）。因此，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有較大依賴性的技術(shù)（EtherCAT、Sercos III、POWERLINK）在使用千兆位時(shí)的性能平均提高了4 – 6倍。相比之下，基于交換式以太網(wǎng)的技術(shù)（EtherNet/IP、Profinet IRT）可將足夠大的有效載荷提高7 – 10倍。對(duì)于較小的有效載荷，短幀的傳輸延遲可能比基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的延遲小，導(dǎo)致總線中最小循環(huán)周期的下限較低。今天針對(duì)Gbit的COTS直通式交換機(jī)具有2 μs范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲（圖3b），這意味著最小幀大小為250 bytes （= 2000 bits）（忽略電纜上的傳播延遲）。發(fā)送較小的幀不會(huì)進(jìn)一步減小循環(huán)周期。因此，在具有較高性能要求的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)發(fā)延遲短的設(shè)備至關(guān)重要。OPC UA TSN循環(huán)周期的計(jì)算是上面介紹的兩種方法的組合。具有Pub/Sub值的幀傳輸延遲–由于幀聚合和高效的幀格式–變?yōu)?4：

總的最小循環(huán)周期變?yōu)椋?/p>

可以注意到，相比今天建立在各種參數(shù)組合上的解決方案，可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期更低，大約低了18倍（參見圖4）。若現(xiàn)今的現(xiàn)場總線技術(shù)機(jī)制不變，相比具有千兆位電路的假想設(shè)備則低了近2倍（參見圖3a – 3b）。

2.3  工業(yè)數(shù)據(jù)通信類型

開發(fā)新的OPC UA TSN系統(tǒng)的公司擁有多種TSN標(biāo)準(zhǔn)，從中可以為他們的應(yīng)用選擇正確的功能特性。這通常涉及到嘗試盡可能接近地匹配傳統(tǒng)技術(shù)的行為。外推到整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化市場，這告訴我們，為了得到廣泛采用，一個(gè)解決方案必須同時(shí)支持所有當(dāng)前使用的工業(yè)通信類型。

今天的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各種通信類型。它們大多數(shù)都考慮到了區(qū)分周期性和非周期性通信，而在它們實(shí)際屬性的細(xì)微差別方面又有所不同–從每個(gè)循環(huán)擁有不同發(fā)送、傳播和接收周期的硬實(shí)時(shí)通信；到有或無時(shí)間同步的周期性通信；到多種來源的非周期性通信，其中TCP/IP就是一個(gè)越來越重要的例子。在有些情況下，網(wǎng)絡(luò)控制、診斷信息和用戶控制消息有不同的優(yōu)先級(jí)。我們已經(jīng)評(píng)估了這些，并得到了一個(gè)超集。通過工業(yè)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊的通信類型可以概括在下面的表II中。一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)需要支持所有這些類型（例如，見圖10），即使不在特定應(yīng)用中使用。用于實(shí)施的形成機(jī)制的選擇需具備全球化標(biāo)準(zhǔn)；這里介紹目前討論的一個(gè)提案。

注意：TSN的主要特點(diǎn)是不同通信類型共存的可能性，同時(shí)保留實(shí)時(shí)通信的定時(shí)特性。一些現(xiàn)有的“實(shí)時(shí)”（EtherNet/IP、Profinet）網(wǎng)絡(luò)使用通信規(guī)劃和QoS來保證在設(shè)備運(yùn)行良好條件下的行為。由于將TSN用作數(shù)據(jù)鏈路層，因此這些技術(shù)可以更好地利用帶寬效率，因?yàn)門SN無條件保護(hù)了高優(yōu)先級(jí)的通信（請參閱[3]中ODVA的性能考慮，表1）。

3 設(shè)置

計(jì)算理論性能估計(jì)和定義通信類別要求是一回事–具有硬件和/或軟件限制的現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)是完全不同的事情。百兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常高的成熟度，這意味著幾乎所有的現(xiàn)有設(shè)備都能夠提供全面的網(wǎng)絡(luò)性能。對(duì)于千兆技術(shù)而言，事實(shí)并非如此。如上所述，千兆將交換網(wǎng)絡(luò)的性能提高了約10倍。幀聚合、優(yōu)化標(biāo)頭和超低直通延遲可以進(jìn)一步提高約2倍。為了在真正的產(chǎn)品中利用該性能，其許多組件都需要進(jìn)行優(yōu)化。

許多原型設(shè)備已經(jīng)實(shí)施并由作者測試，例如在IIC試驗(yàn)臺(tái)上。其中兩個(gè)原型已被用于本文中評(píng)估：一個(gè)是基于運(yùn)行Linux的單端口工業(yè)PC，另一個(gè)嵌入式的形式為模塊化I/O模塊的頭站，具有兩個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)端口，也運(yùn)行Linux OS。圖5描述了使用這些設(shè)備的測試設(shè)置的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖6則表現(xiàn)了設(shè)備構(gòu)成。它包含200個(gè)嵌入式節(jié)點(diǎn)（貝加萊），具有數(shù)字量I/O模塊和一個(gè)工業(yè)PC。另外，它包含五個(gè)高清攝像頭（Mobotix）和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)面板。此外還用到了工業(yè)TSN交換機(jī)（TTTEch）。200個(gè)設(shè)備部署在四條總線中，每條線50個(gè)設(shè)備。可實(shí)現(xiàn)的性能報(bào)告在第7部分中。

圖5  測試設(shè)置的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6   測試設(shè)置的設(shè)備構(gòu)成

4 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)

4.1 概述

圖7提供了OPC UA TSN所使用的協(xié)議和服務(wù)的概述以及它們?nèi)绾芜m應(yīng)ISO/OSI參考模型的各層。以下將討論各層的要求和特性。

4.2 物理層

以下的物理介質(zhì)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的，因此大多數(shù)廠商都會(huì)提供：

基于銅

Fast Ethernet（100BASE-T/T1）

Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1）

基于光纖

Fast Ethernet（100BASE-T/T1）

Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1）

對(duì)于過程自動(dòng)化，已經(jīng)成立了一個(gè)工作組來開發(fā)十兆單雙絞線以太網(wǎng)（10SPE）。該介質(zhì)可以促使以太網(wǎng)傳播至更小和成本更敏感的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備以及Zone 1危險(xiǎn)區(qū)。

表2   工業(yè)通信類型

第3 – 9列表示每種類型的要求

4.3  數(shù)據(jù)鏈路層

術(shù)語TSN[4]、[5]是指由IEEE 802.115工作組的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組開發(fā)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。這里值得注意的是，802.1標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)交換機(jī)（他們稱之為“網(wǎng)橋”），802.3標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)端點(diǎn)。下列介紹與工業(yè)通訊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：

IEEE 802.1AS-Rev：IEEE 1588-2008時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是為解決導(dǎo)致IEEE 802.1AS [6]中更大的以太網(wǎng)系統(tǒng)而開發(fā)和采用的。可惜兩者并不兼容。在TSN工作組中，正在開發(fā)IEEE 802.1AS（.1ASRev [7]）的修訂版。此修訂版解決了最高級(jí)冗余和多時(shí)鐘域（例如，同時(shí)分配工作時(shí)鐘（同步傳輸?shù)幕A(chǔ)）和掛鐘（例如，記錄消息））的機(jī)制。.1AS-Rev計(jì)劃于2018年發(fā)布；出于互操作性和接近最終方案的考慮，我們強(qiáng)烈鼓勵(lì)機(jī)器、工廠和過程自動(dòng)化廠商實(shí)施.1AS（而不是IEEE 1588）。另外，802.1AS是AVnu和IEEE TSN任務(wù)組推動(dòng)的默認(rèn)解決方案。

IEEE 802.1Qbv：用于實(shí)時(shí)保證的同步傳輸。它規(guī)定了傳輸窗口16，以保證有界延遲和較小抖動(dòng)[8]。Qbv也可以周期性地給予出口隊(duì)列優(yōu)先接入線路，所以它也可以提供帶寬保證。

圖7  OSI參考模型中OPC UA TSN的描述

IEEE 802.1Qav：可用于周期性傳輸，以保證某些通信類別[9]擁有帶寬預(yù)留和有界延遲。主要的應(yīng)用是音頻/視頻廣播17。

IEEE 802.1Qcc：該標(biāo)準(zhǔn)提供了用于TSN配置的協(xié)議、程序和管理對(duì)象的規(guī)范，主要用于已經(jīng)運(yùn)行的系統(tǒng)。描述了以下三種配置模型：

（1）完全集中式模型–適用于所有TSN機(jī)制，在使用Qbv時(shí)是必備的（見圖8）；

（2）完全分布式模型–適用于無需改變調(diào)度（或不使用Qbv機(jī)制）時(shí)；

（3）集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型。

由于同步通信經(jīng)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（見圖10示例），Qbv機(jī)制的使用是必然的，因此，我們使用完全集中式的配置模型。該模型指定了CUC（集中式用戶配置）和CNC（集中式網(wǎng)絡(luò)配置）功能[10]。CUC(s)指定了關(guān)于循環(huán)周期和傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)的用戶要求，并將其傳輸給CNC。CNC會(huì)計(jì)算TSN配置，包括通訊調(diào)度必須通過使用標(biāo)準(zhǔn)的YANG18模型滿足要求。CNC使用基于YANG的管理協(xié)議（如NETCONF19over TLS20）將配置分配給交換機(jī)（網(wǎng)橋）。CNC將端點(diǎn)配置發(fā)送到CUC。RESTCONF21應(yīng)用作CUC和CNC22之間的通訊協(xié)議。CUC然后將端點(diǎn)配置分發(fā)到相應(yīng)的端點(diǎn)。

TSN Configuration Broker (TCB)：Qcc不會(huì)進(jìn)一步指定協(xié)議以及CUC和端點(diǎn)之間的功能（因?yàn)檫@是專用的）。當(dāng)工作在OPC基金會(huì)TSN工作組內(nèi)針對(duì)基于OPC UA Pub/Sub TSN的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CUC接口上時(shí)，所有CUC的共同功能已被確定和進(jìn)一步明確。TSN Configuration Broker (TCB)一方面從端點(diǎn)提取出了不同的IEEE Qcc配置模型，另一方面為流預(yù)留/實(shí)例提供了標(biāo)準(zhǔn)化的功能。TCB由駐留在端點(diǎn)的TCB客戶端和集中式TCB服務(wù)器組成（見圖7）。TCB客戶端與服務(wù)器之間的PTCB協(xié)議非常輕便。除了通常適用于所有CUC之外，這是一種接收基本網(wǎng)絡(luò)配置的有效方式，特別適用于幾乎不需要應(yīng)用程序配置的資源受限設(shè)備（因此沒有可用的OPC UA客戶端或服務(wù)器）。

IEEE 802.1CB：用于為環(huán)型和網(wǎng)格拓?fù)鋄11]提供無縫冗余。1CB允許冗余規(guī)劃在每個(gè)數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上，這樣可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)冗余解決方案更好的帶寬效率。

圖8  Qcc的完全集中式模型（帶有OPC UA應(yīng)用程序），取自[4]

圖9   包含TCB的完全集中式模型

更多標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802.1Qbu & IEEE 802.3br（可選）23

在使用調(diào)度（Qbv）機(jī)制的情況下，幀搶占[12]、[13]可以用來最大化盡力而為業(yè)務(wù)的吞吐量。搶占不適合盡力而為以外的通信類型，因?yàn)樗鼤?huì)使這些通信類型的任何保證無效。然而在千兆的情況下，盡力而為的增益微不足道24。

IEEE 802.1CS（可選）

AVB的流預(yù)留協(xié)議擴(kuò)展。該項(xiàng)目剛剛發(fā)起。它定義了一個(gè)可供選擇的–目前不兼容–配置路徑（也稱為“完全分布式配置模型”），適用于III類通信（和盡力而為）的應(yīng)用，因此在工業(yè)應(yīng)用中的使用有限。

總結(jié)

因此，強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是.1AS(-Rev)、Qbv、.1CB和具有完全集中式模型的Qcc，再加上NETCONF over TLS。AVnu聯(lián)盟正在定義實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)的一致性和互用性準(zhǔn)則。

4.4 第3-6層

對(duì)于OPC UA客戶端/服務(wù)器，支持帶可選安全（TLS）的TCP/IP連接。對(duì)于Pub/Sub連接，支持UADP25 over UDP/IP或直接在原始以太網(wǎng)上的UADP。安全在UADP層中進(jìn)行處理。UADP（即云協(xié)議）的其它傳輸選擇超出了本文的范圍。

NETCONF也使用帶TLS的TCP/IP。

對(duì)于設(shè)備上的固件升級(jí)和Web應(yīng)用程序，可選用HTTP(S)。

4.5 應(yīng)用層

OPC UA在應(yīng)用層上采用，包括支持客戶端/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱通訊模型。所有設(shè)備上的OPC UA服務(wù)器應(yīng)支持嵌入式服務(wù)器協(xié)議。對(duì)于資源有限的設(shè)備，只能利用發(fā)布功能提供數(shù)據(jù)和TCB客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

客戶端/服務(wù)器：用于設(shè)備配置、瀏覽信息模型、記錄診斷信息等的通訊模型。對(duì)

于安全應(yīng)用程序，設(shè)備配置應(yīng)提供數(shù)據(jù)完整性（簽名）和可選的機(jī)密性（加密）。

發(fā)布/訂閱（簡稱：Pub/Sub）：用于循環(huán)傳輸?shù)耐ㄓ嵞Ｐ汀Ｍㄟ^使用基于OPC

UA消息的安全，可選簽名和/或加密。具有靜態(tài)數(shù)據(jù)集偏移的標(biāo)頭協(xié)議可用于在終端站中高效地提取數(shù)據(jù)集。

（a）調(diào)度中同步輸入幀的時(shí)空圖

(b).在主站內(nèi)端口的Qbv門控事件       (c).在S5左端口的Qbv門控事件26

圖10  網(wǎng)絡(luò)調(diào)度示例

圖10  是在第2部分介紹的網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度示例，只是更小。它有一個(gè)主站（M）和七個(gè)從站（S1…S7）。在類型1中，所有從站都向主站發(fā)送相同大小的幀（圖10a）。調(diào)度計(jì)算是這樣的，幀一個(gè)接一個(gè)不停地達(dá)到主站，在那里第一個(gè)從站在循環(huán)開始處發(fā)送它的幀。圖10b顯示了主站內(nèi)端口的Qbv配置，它在那里接收幀（循環(huán)開始于90°）。類型1的門在循環(huán)開始（t0）不久打開，并保持打開，直到接收到所有幀后關(guān)閉（t1）。在這段時(shí)間里，沒有其它門打開。之后，類型2-8的門同時(shí)打開。類型2在所有剩余時(shí)間內(nèi)保持打開，給予網(wǎng)絡(luò)控制通信最高優(yōu)先級(jí)（如果發(fā)生這種通信）。接下來，類型4的門關(guān)閉（t2），給予類型5一些時(shí)間，具有最高優(yōu)先級(jí)等等（t3、 t4）。圖10c顯示了S5左端口的Qbv配置27。類型1的門向朝向主站的三個(gè)幀（t0…t1）打開，隨后打開其它類型的門。因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中28，類型4至6和8的帶寬保證是相同的。

4.6  其它所需功能特性

ISO/OSI參考模型（圖7）提供了一個(gè)涉及OPC UA TSN技術(shù)的協(xié)議棧的快速概覽。為了滿足工業(yè)通訊系統(tǒng)要求，需要以下其它功能特性：

設(shè)備角色：第5部分介紹了協(xié)調(diào)OPC UA TSN設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和操作所需的功能特性。角色（幾乎）獨(dú)立于運(yùn)行的硬件。

狀態(tài)機(jī)：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的終端站必須有統(tǒng)一的行為，它根據(jù)狀態(tài)機(jī)定義（見第IV部分）。這使得中心實(shí)例（即網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)）協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為可能。許多工業(yè)以太網(wǎng)解決方案實(shí)施的狀態(tài)機(jī)基于CiA的想法[14]。

拓?fù)錂z測：實(shí)時(shí)通信的調(diào)度需要詳細(xì)了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇梢栽谂渲霉ぞ咧羞M(jìn)行檢測（使用LLDP29）和導(dǎo)入，或離線創(chuàng)建。CNC（第5部分）使用此信息來計(jì)算Qbv和Qav的配置。

直通交換：在交換式網(wǎng)絡(luò)上可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期性能很大程度上取決于幀傳輸?shù)难舆t（見1.2部分）。特別是對(duì)長的總線型或環(huán)型拓?fù)錁?gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，直通交換（一旦地址信息被解碼就轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀）30構(gòu)成了現(xiàn)場設(shè)備中3端口交換機(jī)不可或缺的一個(gè)功能特性。在使用千兆物理層時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)延遲包括遠(yuǎn)低于1 μs的PHYs是必需的，即

設(shè)備子協(xié)議：在工業(yè)通訊系統(tǒng)中，每個(gè)OSI層都需要確保互操作性。違反互操作性的最低層構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)互操作性的最高層，獨(dú)立于任何更高層。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)僅共享相同的物理介質(zhì)（電纜、插頭），即層1。該事實(shí)已經(jīng)引起了很多顧客的不滿，因?yàn)樵瓉淼臓I銷信息是以太網(wǎng)是以太網(wǎng)，所以它們都應(yīng)該兼容。為了防止OPC UA TSN技術(shù)陷入相同的困境，其目標(biāo)是使用所有七個(gè)OSI層（用于設(shè)備間通訊）共同實(shí)施，此外還具有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備子協(xié)議和特定類型的設(shè)備子協(xié)議。今天，針對(duì)安全、驅(qū)動(dòng)器、IO和控制器到控制器通訊的標(biāo)準(zhǔn)化子協(xié)議正在考慮中。

設(shè)備描述文件：在OPC UA領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)設(shè)備由其服務(wù)器實(shí)例來表示，其功能特性可以“隨時(shí)”在線瀏覽。雖然在線瀏覽對(duì)一些工業(yè)用例就足夠了，它們具有很高的重復(fù)程度，如連續(xù)機(jī)器制造，但仍要求離線方法用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置和編程。因此，設(shè)備的所有相關(guān)功能特性（OPC UA、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)功能）都需要在文件中進(jìn)行描述，從而替代對(duì)設(shè)備的在線訪問。

5 配置和啟動(dòng)

現(xiàn)今，幾乎所有現(xiàn)場總線系統(tǒng)–無論是否基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)–都提供網(wǎng)絡(luò)管理的機(jī)制。這些機(jī)制會(huì)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過一系列狀態(tài)將其轉(zhuǎn)換為操作狀態(tài)；啟動(dòng)設(shè)備檢測，在運(yùn)行時(shí)處理和發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)；或者執(zhí)行必要的程序來替換故障設(shè)備。

狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備識(shí)別等功能（確保設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上到達(dá)，匹配預(yù)期的廠商/型號(hào)等）。它們也可用于執(zhí)行任何必要的配置/固件更新，隨后通知設(shè)備傳輸有效的過程數(shù)據(jù)（如果設(shè)備上的應(yīng)用程序準(zhǔn)備好這樣做），并評(píng)估收到的過程數(shù)據(jù)（如果控制網(wǎng)絡(luò)的中央網(wǎng)絡(luò)實(shí)例決定這樣做）。

在各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)施將所有這些功能結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中（即PLC）。這項(xiàng)工作的目標(biāo)明確，就是將這些功能分離和解耦成所謂的設(shè)備角色，這樣理論上每個(gè)角色都可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同設(shè)備上實(shí)施。多實(shí)例和設(shè)備角色冗余也應(yīng)解決。圖11顯示了不同角色及其通訊關(guān)系。圖12顯示了啟動(dòng)時(shí)通過終端設(shè)備的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行漫游。狀態(tài)本身是強(qiáng)制性的。但是，如果地址和配置進(jìn)行本地存儲(chǔ)，那么大多數(shù)狀態(tài)可以快速通過。

圖11   啟動(dòng)過程中的通訊關(guān)系

圖12   啟動(dòng)OPC UA TSN終端時(shí)的狀態(tài)

6 角色管理

對(duì)于機(jī)器網(wǎng)絡(luò)而言，需要一些網(wǎng)絡(luò)功能，以達(dá)到啟動(dòng)和運(yùn)行期間在網(wǎng)絡(luò)中定義的狀態(tài)。這些功能可以分組，并分配給設(shè)備角色。以下列出眾所周知的針對(duì)IT和OT系統(tǒng)的設(shè)備角色以及針對(duì)OPC UA TSN的新設(shè)備角色。這部分結(jié)束時(shí)列出了用于開發(fā)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的用戶角色。

6.1當(dāng)前需要的備角色

TSN交換機(jī)：它們構(gòu)成了一個(gè)OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。多端口交換機(jī)用于從鳥瞰角度設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鴰蓚€(gè)外部（和一個(gè)內(nèi)部）端口的交換機(jī)駐留在交換終端站，便于在總線型拓?fù)渲羞M(jìn)行有效布線。交換機(jī)的狀態(tài)機(jī)添加狀態(tài)以防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中的信息風(fēng)暴，與圖10所示狀態(tài)相比。

DHCP（服務(wù)器）：DHCP31是一種從池中分配IP地址并將其分配給未配置的設(shè)備的機(jī)制。此外，大多數(shù)DHCP服務(wù)器實(shí)施允許在第2層MAC地址和第3層IP地址之間進(jìn)行靜態(tài)綁定。這些功能特性的組合可以使用臨時(shí)IP地址啟動(dòng)未配置的設(shè)備（具有未知的MAC地址），并且–在成功識(shí)別后（可能是驗(yàn)證） - 分配預(yù)先配置的地址32。

DNS（服務(wù)器）：DNS33是解決IP地址描述性名稱（即主機(jī)名）的機(jī)制。所有更高層協(xié)議和服務(wù)–包括工程和配置工具–隨后都可以使用易于記憶的主機(jī)名。

祖時(shí)鐘：該術(shù)語來自于針對(duì)精確時(shí)鐘同步的IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，已被IEEE 802.1AS采用。它指的是網(wǎng)絡(luò)中具有主站功能的最精確的時(shí)鐘設(shè)備。它可以通過最佳主時(shí)鐘算法（BMCA）自動(dòng)選擇為網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間主站。或者在.1AS中，也可以預(yù)定義時(shí)鐘層級(jí)。

OPC UA GDS：OPC UA的全局發(fā)現(xiàn)服務(wù)器（GDS）負(fù)責(zé)OPC UA服務(wù)器的企業(yè)級(jí)管理。它通過“功能”和地址列表促進(jìn)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建并分發(fā)針對(duì)安全連接的應(yīng)用證書。

目錄服務(wù)（可選）：此類IT服務(wù)（例如微軟的活動(dòng)目錄）用于企業(yè)級(jí)資產(chǎn)、用戶和角色管理，包括個(gè)人數(shù)據(jù)、訪問權(quán)限（對(duì)文件、程序）、證書管理等。在OT環(huán)境中使用這些可以在組織效率方面快速見效。

TSN CUC：集中式用戶配置（CUC）是一個(gè)在IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)中定義的角色，任務(wù)是配置終端節(jié)點(diǎn)（或其應(yīng)用程序–網(wǎng)絡(luò)的用戶）。這包括網(wǎng)絡(luò)配置，用于與CNC通訊。

TCB：TCB客戶端/服務(wù)器是CUC-CNC通訊功能加上終端站網(wǎng)絡(luò)配置的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施。TCB服務(wù)器收到來自CUC的要求，將要求轉(zhuǎn)發(fā)給CNC，它會(huì)調(diào)度數(shù)據(jù)流并將結(jié)果報(bào)告給TCB服務(wù)器。最后，TCB服務(wù)器會(huì)將如何使用調(diào)度的數(shù)據(jù)流的報(bào)告發(fā)回終端站。

TSN CNC：集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）有兩個(gè)主要任務(wù)：（1）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)調(diào)度（2）將網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的參數(shù)分配給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組件（以太網(wǎng)交換機(jī)）。

對(duì)于后者支持互操作性，協(xié)議的選擇很關(guān)鍵。截止今天，NETCONF由于其廣泛的可用性、技術(shù)成熟度和操作陰影配置的可能性已成為首選技術(shù)。

6.2  新的設(shè)備角色

以下列出網(wǎng)絡(luò)中受現(xiàn)今現(xiàn)場總線架構(gòu)啟發(fā)的邏輯功能。為了運(yùn)行OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施這些角色并非嚴(yán)格強(qiáng)制。但是，沒有它們，啟動(dòng)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)將需要頻繁、大量的手動(dòng)干預(yù)。所有設(shè)備角色都是跨廠商的，因此可以實(shí)現(xiàn)互操作。

應(yīng)用從站：這是具有最多實(shí)例的角色。它主要通過狀態(tài)機(jī)來管理其操作模式和一些遠(yuǎn)程配置功能。例如I/O、驅(qū)動(dòng)器和閥。

應(yīng)用主站：傳統(tǒng)現(xiàn)場總線中的PLC或邊緣控制器的角色。從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的角度來看，應(yīng)用從站和應(yīng)用主站沒有區(qū)別。但是，就計(jì)算性能而言，應(yīng)用功能和TSN功能可能差別很大。

配置服務(wù)器：這可以看作包含版本控制以及用于固件和配置的簽名二進(jìn)制文件的一個(gè)（分布式）數(shù)據(jù)庫。文件內(nèi)容是廠商特定的，可以是駐留在設(shè)備上的任何東西–從FPGA比特流、編譯的應(yīng)用程序代碼和配置文件，到圖像、數(shù)據(jù)表和維護(hù)視頻。

網(wǎng)絡(luò)管理器該角色連接到工程工具，并保存關(guān)于應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息。網(wǎng)絡(luò)管理器通過啟動(dòng)過程引導(dǎo)所有設(shè)備，并觸發(fā)所需動(dòng)作，如地址分配和固件/配置更新。

網(wǎng)絡(luò)管理器：該角色連接到工程工具，并保存有關(guān)應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息。網(wǎng)絡(luò)管理器通過啟動(dòng)過程指導(dǎo)所有設(shè)備，并觸發(fā)所需操作，如地址分配和固件/配置更新。

6.3  用戶角色

除了設(shè)備角色（在授權(quán)執(zhí)行某些管理功能如升級(jí)設(shè)備固件的網(wǎng)絡(luò)上代表“用戶”）之外，一組針對(duì)人與網(wǎng)絡(luò)交互的預(yù)定義的用戶角色應(yīng)該是可用的，如管理員、用戶和維護(hù)。7 安全性和證書

安全性可能成為區(qū)別OPC UA TSN和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵的功能特性，因?yàn)樗鼰o法被簡單地添加到系統(tǒng)中。用于實(shí)施電子安全工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62443 [17]，與針對(duì)功能安全的IEC 61508 [18]和IEC 61784-3 [19]一樣現(xiàn)已被廣泛接受。標(biāo)準(zhǔn)要求使用適當(dāng)?shù)挠布蛙浖_發(fā)過程。此外，它定義了五個(gè)安全防護(hù)目標(biāo)等級(jí)，從0（無）到4（防護(hù)具備高教育、高動(dòng)機(jī)和高資源的攻擊者）。對(duì)于每個(gè)等級(jí)，它定義了要求，并提出了與特定的設(shè)備實(shí)施相關(guān)的問題。

7.1  證書

證書是安全認(rèn)證的一種手段。OPC UA采用X.509證書。例如，為網(wǎng)絡(luò)管理器設(shè)備角色創(chuàng)建的新證書要求具備該角色的每個(gè)設(shè)備都要擁有實(shí)例證書，以便能夠配置和控制設(shè)備。所有其它設(shè)備都配有公鑰網(wǎng)絡(luò)管理器證書，因此可以建立一條信任鏈。此外，每個(gè)設(shè)備都附帶它自己的實(shí)例證書，它是從設(shè)備類型證書派生而來的，這個(gè)證書源自廠商證書。這樣就可以建立信任鏈，每家廠商都可以創(chuàng)建其自己的設(shè)備類型系列。設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)管理器證書可以在認(rèn)證過程中獲得。在首次認(rèn)證后，為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建和部署應(yīng)用認(rèn)證，用于進(jìn)一步認(rèn)證過程。

7.2  證書類型

網(wǎng)絡(luò)管理器

網(wǎng)絡(luò)管理器實(shí)例

設(shè)備類型

設(shè)備類型實(shí)例

應(yīng)用程序?qū)嵗?/p>

（機(jī)器）配置

8 結(jié)果

8.1  時(shí)間同步

時(shí)間同步的準(zhǔn)確度通常通過各種環(huán)境條件下的外部PPS引腳（每秒脈沖）測量[20]。圖13顯示了50個(gè)貝加萊IO設(shè)備在總線型拓?fù)渲惺褂?1AS的結(jié)果（實(shí)際上是第2部分介紹的測試設(shè)置中的一條線路）。

圖13   使用IEEE 802.1AS進(jìn)行時(shí)間同步測量的結(jié)果

圖13  在50個(gè)設(shè)備的總線中使用IEEE 802.1AS進(jìn)行時(shí)間同步的結(jié)果。每10個(gè)設(shè)備進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)室條件下，PPS精度34的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)低于50 ns。

8.2  實(shí)時(shí)性能

根據(jù)工程工具的能力，對(duì)OPC UA TSN系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性沒有真正的限制。我們預(yù)計(jì)，中期將會(huì)出現(xiàn)多達(dá)10,000個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)。

對(duì)于單個(gè)設(shè)備，所實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期完全取決于所使用的硬件和軟件。我們期待設(shè)備很快具備10 μs循環(huán)周期。貝加萊的原型I/O站可在外部和背板總線上實(shí)現(xiàn)50 μs。假定有一個(gè)強(qiáng)大的PLC，其中200個(gè)可以在一根電線上運(yùn)行50 μs。

8.3  用戶體驗(yàn)

用戶體驗(yàn)的主要因素可以在設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商的工程工具中看到。通常在機(jī)械自動(dòng)化中，客戶的工程工具來自于PLC供應(yīng)商。但是，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中可以實(shí)現(xiàn)比以往更高程度的自動(dòng)化配置，獨(dú)立于廠商，從而導(dǎo)致更少的人為干預(yù)35。此外，由于OPC UA和TSN并非緊密地綁定在一個(gè)特定廠商上，因此我們期待周圍的生態(tài)系統(tǒng)要比過去不同的現(xiàn)場總線大得多。

9 結(jié)論與展望

OPC UA TSN正在到來。它將在許多應(yīng)用中取代今天基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線。文中概述的主要原因是：

跨廠商

在其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

融合網(wǎng)絡(luò)

大而靈活的拓?fù)?/p>

完整的IIoT功能

無與倫比的性能

集成安全和

現(xiàn)代數(shù)據(jù)建模。

針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)OPC UA標(biāo)準(zhǔn)和TSN標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，少數(shù)未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在2018年年初發(fā)布。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由眾多國際市場參與者在國際試驗(yàn)臺(tái)如IIC上得到實(shí)施和測試，并取得了可喜的成果。目前，主要的芯片制造商正在制造適用于現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)的產(chǎn)品，以便很快就能與今天產(chǎn)品的成本相匹配。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡可用于單端口設(shè)備，因此無論如何無需討論成本。對(duì)于雙端口設(shè)備，預(yù)期邊際硬件成本為0歐元，因?yàn)門SN將在不久的將來成為任何具有競爭力的工業(yè)級(jí)SoC的組成部分。因此，OPC UA TSN將變得很平常–就像以前的CAN一樣。