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盡管OICT融合已是產(chǎn)業(yè)共識，然而，真正推動它卻并非想象中簡單，而我們在討論智能制造的各種實現(xiàn)途徑，包括邊緣計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的時候，我們遇到的第一個問題實際上是連接問題，如果不解決這個問題則無法推進(jìn)其它問題的實現(xiàn)。

1 IT與OT融合難度在哪里？

1.1 現(xiàn)場總線到實時以太網(wǎng)

圖1對于制造業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡要的描述，相對于傳統(tǒng)的PLC集中式控制，現(xiàn)場總線為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來了很多便利，通過統(tǒng)一的總線連接實現(xiàn)了分布式控制，并且通過總線使得接線變得更為簡單，而系統(tǒng)的配置、診斷的工作量因此也下降，因此，現(xiàn)場總線是為制造業(yè)現(xiàn)場帶來很多便利的技術(shù)，然而，各家公司都開發(fā)了自己的總線，在IEC的標(biāo)準(zhǔn)中也有多達(dá)20余種總線。總線本身是帶來便利的，但是，不同的總線又造成了新的壁壘，因為各家公司的業(yè)務(wù)聚焦、技術(shù)路線的不同，使得各個現(xiàn)場總線在物理介質(zhì)、電平、帶寬、節(jié)點數(shù)、校驗方式、傳輸機(jī)制等多個維度都是不同的，因此造成了同一總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可以互聯(lián)，而不同總線設(shè)備則無法互聯(lián)。

圖1 OPC UA TSN技術(shù)的產(chǎn)生基礎(chǔ)原因

這也是因何實時以太網(wǎng)技術(shù)在21世紀(jì)初開始投入使用的原因，2001年貝加萊推出POWERLINK實時以太網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域第一個實時以太網(wǎng)，而之后分別有PROFINET、Ethernet/IP、SERCOSIII、EtherCAT等各個實時以太網(wǎng)技術(shù)投入應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)總線實時以太網(wǎng)的好處在于物理介質(zhì)、節(jié)點數(shù)、距離、帶寬、校驗、診斷都統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，因此在這個層面上，大家實現(xiàn)了統(tǒng)一。

1.2 互連互通與互操作

但是，實時以太網(wǎng)只是解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問題，對于應(yīng)用層而言，仍然無法聯(lián)通。按照IEC的標(biāo)準(zhǔn)，通信連接分為互連、互通、互操作多個層級，各個實時以太網(wǎng)是基于原有的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層），在應(yīng)用層采用了諸如PROFIBUS、CANopen等協(xié)議，而這些協(xié)議又無法實現(xiàn)語義互操作。

簡單理解語義互操作就是“5+5”這樣的計算在自動化控制中，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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與類型時就會需要更多信息，如單位，“5英寸+5厘米”顯然是無法進(jìn)行加法計算的，這個時候我們需要語義規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，以便讓不同的系統(tǒng)之間認(rèn)識到各自每個參數(shù)所表達(dá)的語義。

1.3 智能時代的工業(yè)通信

在前面我們討論的是在工業(yè)現(xiàn)場水平與垂直方向?qū)崿F(xiàn)物理信號的采集與信息的傳輸，但是，到了智能制造時代，我們需要更為全局的數(shù)據(jù)采集、傳輸、計算與分析、優(yōu)化，進(jìn)而實現(xiàn)制造的高效協(xié)同，提升整個生產(chǎn)效率。

圖2簡要描述了這一場景，從工廠到供應(yīng)鏈的各個環(huán)節(jié)都需要數(shù)據(jù)的連接，那么這個時候，IT與OT的融合會遇到如下復(fù)雜性：

圖2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

（1）總線的復(fù)雜性帶來的障礙

總線的復(fù)雜性不僅為制造現(xiàn)場帶來復(fù)雜性，也同樣為IT訪問OT帶來了巨大的障礙，因為為了不同的數(shù)據(jù)訪問就得寫不同的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序，對于老的工廠采用的不同的物理介質(zhì)的現(xiàn)場總線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(qū)動程序，即使采用實時以太網(wǎng)，語義仍然需要編寫不同的接口程序，而豐富的現(xiàn)場總線與應(yīng)用層組合出成千上萬種可能，這使得IT為了配置網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與連接、數(shù)據(jù)預(yù)處理等工作花費巨大，導(dǎo)致實現(xiàn)這件工作缺乏經(jīng)濟(jì)性，這是技術(shù)推進(jìn)難的首要障礙，如果無法經(jīng)濟(jì)地實施項目，那么就沒有投入的必要。

（2）周期性與非周期性數(shù)據(jù)的傳輸

IT與OT數(shù)據(jù)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(jī)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(shù)采用輪詢機(jī)制，由主站對從站分配時間片的模式，而IT數(shù)據(jù)往往是非周期性的，由于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)無法滿足周期性的確定性傳輸以及微秒級的實時性，才開發(fā)了POWERLINK、PROFINET等基于以太網(wǎng)的協(xié)議，然而，這些都無法在一個網(wǎng)絡(luò)里傳輸兩種不同的數(shù)據(jù)。

（3）實時性的差異

由于實時性的需求不同，也使得IT與OT網(wǎng)絡(luò)存在差異，對于微秒級的運動控制任務(wù)而言，要求網(wǎng)絡(luò)必須要實現(xiàn)非常低的延時與抖動，而對于IT網(wǎng)絡(luò)則往往對實時性沒有特別的要求，但對數(shù)據(jù)負(fù)載有著要求。

2 OPC UA TSN的角色

圖3描述了OPC UATSN在整個ISO-OSI模型中所處的位置，我們可以看到，OPC UA主要解決在應(yīng)用層的問題，而TSN實質(zhì)上是處于數(shù)據(jù)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(xiàn)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題，在IEC關(guān)于互聯(lián)技術(shù)報告中提到互聯(lián)、互通、語義互操作多個層面的問題（圖4中的不兼容、共存不考慮，互換目前無法做到），而OPCＵＡ主要解決在語義互操作的問題上。

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

（2）OPCUA的核心問題——信息模型

圖5 OPC UA的架構(gòu)

OPC UA具有多種推動因素，包括非盈利組織、IEC標(biāo)準(zhǔn)、安全性。對于智能制造而言，多個設(shè)備之間的協(xié)同（M2M）以及業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)與產(chǎn)線的協(xié)同（B2M）、業(yè)務(wù)單元間的數(shù)據(jù)（B2B）都需要OPC UA的協(xié)同。

圖6是一個針對塑料行業(yè)的信息模型—采用OPCUA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范開發(fā)的，應(yīng)用于注塑機(jī)與輔機(jī)、注塑機(jī)與MES系統(tǒng)之間的信息交互，而同樣，OPC UA基金會與OMAC/PackML（針對包裝工業(yè)的垂直行業(yè)信息模型），MTConnect（針對機(jī)床工具）、AutomationML（針對汽車工業(yè)）、BacNet（針對樓宇）、ISA（針對MES系統(tǒng)），以及各個現(xiàn)場總線基金會組織如PI、EPSG、ETG等合作，使得OPC UA成為共同支持的語義互操作層面的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范開發(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(shè)計

由此，我們可以看到，OPC UA在整個OICT融合中扮演了非常重要的角色，而由于OPC UA基金會的公益性、IEC62451標(biāo)準(zhǔn)等原因，使得OPC UA獲得了全球最主要的自動化廠商的支持，目前OPC UA基金會是最為活躍，會員規(guī)模達(dá)到4000多家廠商的全球性標(biāo)準(zhǔn)化組織。

2.2 TSN與TSN的角色

相對而言，TSN技術(shù)才剛剛開始進(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(yīng)用于音頻/視頻同步的場景，而之后隨著汽車工業(yè)中無人駕駛/輔助駕駛技術(shù)的需要，TSN也被納入了開發(fā)中，而在2012年原有的IEEE802.1Q成立針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實時性工作組，稱為IEEE802.1TSN。

TSN應(yīng)用于解決之前我們在第一節(jié)所談到的話題：周期性數(shù)據(jù)與非周期性數(shù)據(jù)的傳輸問題，實時與非實時數(shù)據(jù)的傳輸問題，原有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3沒有確定性，因此才開發(fā)了各種實時以太網(wǎng)，而今天，采用TSN使得標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)具有傳輸實時性數(shù)據(jù)的能力，并且，讓周期與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，這樣會大大簡化整個智能集成的工作量，并且變得更為簡單。

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來定義精確的時鐘同步，然后采用數(shù)據(jù)隊列的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織，而不同在于IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br采用搶占式MAC的方式來對高實時性數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而IEEE802.1Qbv則采用Time Aware Shaper —為高實時數(shù)據(jù)提供專用的時間通道，而對其他非實時則采用BestEffort的方式進(jìn)行傳輸。

TSN是由一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所構(gòu)成，表1則列出與工業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用領(lǐng)域與名稱：

表1 TSN相關(guān)子標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.1Qcc則是針對網(wǎng)絡(luò)與用戶配置的標(biāo)準(zhǔn)，由圖9可以看到分為集中式用戶配置與網(wǎng)絡(luò)配置，可以對Qbu、Qbv、QCB等多種機(jī)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實際上是為了實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)交互、實時與非實時數(shù)據(jù)在同一通道中傳輸而開發(fā)的新的數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。

由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求不斷增長，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(gòu)了未來智能制造網(wǎng)絡(luò)

在第二節(jié)單獨對OPCUA和TSN進(jìn)行了介紹，而正如圖1所示，未來，這兩個標(biāo)準(zhǔn)將共同為制造業(yè)帶來互聯(lián)的基礎(chǔ)。

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)基礎(chǔ)

圖10顯示了OPC UATSN在整個OSI模型中的位置，但是，實際上并非這么簡單，我們可以從OPC UA的機(jī)制中看到，實際上OPC UA包括會話、連接已經(jīng)將會話層與表示層進(jìn)行了覆蓋，而TSN雖然同樣僅指數(shù)據(jù)鏈路層，但其網(wǎng)絡(luò)的機(jī)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(gòu)

如果這樣來理解OPC UA TSN，我們就會發(fā)現(xiàn)，實際上OPCUA和TSN貫穿了整個OSI七層模型，使得通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范實現(xiàn)了一個真正的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”—IndustrialInternet。

圖11 基于OPC UA TSN的未來工業(yè)通信架構(gòu)

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

而TSN則在控制器、控制器與底層傳感器、驅(qū)動器之間的物理信息傳輸，OPCUA即可實現(xiàn)與傳統(tǒng)的實時以太網(wǎng)結(jié)合構(gòu)成數(shù)據(jù)的多個維度集成，在未來也可以通過TSN與OPCUA的集成實現(xiàn)全新的制造現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)集成。

4 OPC UA TSN技術(shù)進(jìn)展

4.1 OPC UA  TSN的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

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

TSN目前由IEEE標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，目前已經(jīng)完成的狀態(tài)如圖12所示。TSN標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，如圖13，在該系統(tǒng)中，由200個I/O節(jié)點和5個高清視頻所構(gòu)成的OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次刷新的響應(yīng)達(dá)到100μS。

 圖13  基于OPC UA TSN的測試單元

2018年漢諾威工業(yè)博覽會上，包括SIEMENS等眾多廠商也開始發(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、美國國家儀器（NI）、TTTech、思博倫通信（Spirent Communications）等超過20家國際組織和業(yè)界知名廠商，聯(lián)合發(fā)布包含六大工業(yè)互聯(lián)場景的TSN+OPC UA智能制造測試床。這代表著IT與OT融合的最新推進(jìn)，也是OPC UA TSN進(jìn)入實質(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(jié)

OPC UA與TSN代表了未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)趨勢，也代表著OICT融合的實現(xiàn)道路，本文主要從OT的視角來理解OPC UA和TSN，對于IT端的應(yīng)用而言，OPC UA TSN提供了訪問的便利，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(yīng)用場景，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(zhuǎn)變，真正實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

作者簡介：

宋華振（1972-），男，工程師，現(xiàn)任貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司市場部經(jīng)理，多年從事工業(yè)自動化系統(tǒng)的開發(fā)和實施工作，現(xiàn)主要從事市場營銷策劃和市場分析工作。

摘自《自動化博覽》2018年7月刊