今天的形勢
當我們討論工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的時候，它的基礎(chǔ)是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同而實現(xiàn)的，傳統(tǒng)的IT主要對于高帶寬的需求，而OT則強調(diào)其低延時，盡管物理的介質(zhì)、互聯(lián)的接口都已經(jīng)有了，而在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接中的“語義互操作”問題卻沒有統(tǒng)一而一致的標準。
圖1反映了以下這些問題：缺乏可連接性，主要表現(xiàn)在語義互操作的接口標準與規(guī)范問題方面；而IoT的挑戰(zhàn)則在于高帶寬與低延時在新的工業(yè)場景中同時出現(xiàn)――傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場主要基于“等時同步”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、振動等應(yīng)用則需要同時具備高帶寬和低延時特性。至于邊緣計算則需要大量的數(shù)據(jù)傳輸和智能分析。隨著AR/VR和機器視覺的更為廣泛的應(yīng)用，這些問題將比以往更加突出。
圖1-工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)
OPC UA TSN的角色
這也是OPC UA TSN在過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“安全的語義互操作”，OPC UA確保異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠按照統(tǒng)一的標準來定義，這樣，它主要聚焦在ISO/OSI模型的應(yīng)用、會話、表示三個層面，建立連接、用統(tǒng)一的信息模型規(guī)范來表達應(yīng)用場景中的“設(shè)備行規(guī)”。
TSN則解決“實時”與“非實時”數(shù)據(jù)的同一網(wǎng)絡(luò)傳輸問題，它在ISO/OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層，TSN由一系列的標準構(gòu)成，主要是解決時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置的問題。
信息模型
事實上，OPC UA比我們想象的更為強大，它要解決的問題包括了連接、安全、信息模型多個層次的問題，圖3是整個OPC UA的結(jié)構(gòu)，我們可以看到它支持幾個方面的問題：
（1）連接問題：對于C/S架構(gòu)的，包括支持TCP,WebSocket/http的傳輸機制，另外也開發(fā)了針對Pub/Sub機制的連接，包括最新的架構(gòu)中對于MQTT/AMQP方面的支持，這使得通過OPC UA即可方便的與云端應(yīng)用系統(tǒng)進行連接，而且更低的流量消耗。
（2）信息模型：是構(gòu)成OPC UA的核心，它指為了實現(xiàn)協(xié)同所需的信息模型，包括了基礎(chǔ)元模型（DA,HA,AC,程序），以及伴隨信息模型，或稱為行業(yè)信息模型，如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等。
（3）安全的傳輸機制，在整個C/S或Pub/Sub、信息模型的傳輸過程中，都包括了安全的連接建立、數(shù)據(jù)加密機制，這些依賴于信息安全標準的集成。
圖3-OPC UA模型
OPC UA對于整個工業(yè)4.0的實現(xiàn)都至關(guān)重要，除了在設(shè)備、產(chǎn)線層的控制任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，OPC UA還能負責(zé)在運營管理層的數(shù)據(jù)交互，這些在工業(yè)4.0的實現(xiàn)中，如圖4均有定義，而OPC UA在系統(tǒng)的配置、管理認證、建模等均有應(yīng)用空間，即，通過OPC UA實現(xiàn)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(yīng)鏈的設(shè)計、生產(chǎn)制造、運營維護的數(shù)據(jù)連接。
圖4-OPC UA在整個工業(yè)4.0實現(xiàn)中的角色
因此，我們可以看到，OPC UA對于實現(xiàn)工業(yè)4.0、IIoT的傳輸至關(guān)重要，無所不在的傳輸才能奠定整個數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)。
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(xiàn)在在航空航天、軌道交通、汽車等領(lǐng)域都已經(jīng)開始了TSN的研發(fā)與應(yīng)用，工業(yè)領(lǐng)域是2015年的TSN工作組成立為起點，事實上，TSN是由一系列的IEEE標準構(gòu)成，圖5來自IEEE官方關(guān)于TSN標準的構(gòu)成，它包括了以下幾個方面的標準：
（1）時鐘同步：基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev，采用廣義精確時鐘同步技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的延遲進行測量和計算，并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呔葧r間基準。
（2）整形器設(shè)計：為不同的應(yīng)用場景定義了不同的“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)實時場景的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(shù)據(jù)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(fù)制與消除標準，以及IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯標準。
（4）資源管理：包括流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol）的IEEE802.1Qat，用于配置用戶和網(wǎng)絡(luò)的增強的流預(yù)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
全球主要廠商聚焦OPC UA規(guī)范。在2018年SPS上OPC UA基金會組織了媒體會議，共同推動OPC UA over TSN的技術(shù)推動與實現(xiàn)，由全球核心的OICT廠商ABB、華為、SIEMENS、貝加萊、博世力士樂、施耐德等主要的廠商均加入其中。
圖6-2018年SPS全球主要的OICT廠商共同支持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(shù)據(jù)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、華為等公司一起開發(fā)TSN產(chǎn)品、交換機、測試與驗證系統(tǒng)，并積極參與工作組的會議，發(fā)揮自身在工業(yè)領(lǐng)域豐富的應(yīng)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整形器工作組啟動會議，此次會議定義該工作組旨在“定位于滿足在傳感器、執(zhí)行器、控制器以及云端所有工業(yè)自動化場景需求的開放、統(tǒng)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(tǒng)，由200個I/O站、5個高清攝像頭共同、1個工業(yè)PC、2臺交換機共同構(gòu)成的系統(tǒng)，測試其響應(yīng)達到100μS，成為了2017年SPS的亮點。
圖8-貝加萊在2018年SPS展會上的OPC UA TSN系統(tǒng)
圖8是2018年貝加萊在德國SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。
場景應(yīng)用
OPC UA典型應(yīng)用
看上去OPC UA和TSN僅是一些技術(shù)標準與規(guī)范，那么，它在實際的應(yīng)用中如何呈現(xiàn)呢？這里我們僅拿幾個簡單的例子予以說明—因為OPC UA TSN的應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛遠非我們想象。
1.mappVIEW
可能你沒有想到，對于HMI的設(shè)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(tǒng)的HMI和控制器之間有緊密的綁定關(guān)系，因此，程序的修改會導(dǎo)致HMI畫面的修改，而HMI修改也會導(dǎo)致程序的修改，有了OPC UA做中間隔離后，就可以實現(xiàn)程序與HMI的獨立（軟件工程稱為“關(guān)注點分離”-SeparteofConcern），這樣可以實現(xiàn)模塊化的軟件設(shè)計。
圖9-基于OPC UA實現(xiàn)的mappVIEW
由于OPC UA支持“角色”，這使得針對不同的用戶（總經(jīng)理、電氣經(jīng)理、操作人員）有不同的訪問數(shù)據(jù)的權(quán)限，而這些僅簡單配置即可，而無需以前復(fù)雜的編程。
事實上，與傳統(tǒng)嵌入式HMI的開發(fā)不同，基于OPC UA本身的http,WebService，可以開發(fā)基于Web技術(shù)的畫面，包括自適應(yīng)能力、多點觸摸能力、表格、曲線的繪制都會變得簡單。
mappVIEW精彩的HMI設(shè)計即基于OPC UA本身的SoA，服務(wù)器架構(gòu)。
2.Euromap
垂直行業(yè)信息模型是另一個OPC UA的關(guān)鍵，對于不同行業(yè)，其所需要的數(shù)據(jù)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(shù)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(zhuǎn)速是必要的，這些行業(yè)的差異使得對信息的構(gòu)建也不同。
信息模型會簡化行業(yè)工程應(yīng)用所消耗的時間，而無需復(fù)雜編程，通過簡單的模型調(diào)用即可獲得相關(guān)的參數(shù)，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(guī)范中
3.OPC UA TSN開拓了IIoT應(yīng)用
在今天，我們探討工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的時代卻遇到非常多的困難，因為最直接的困難在于現(xiàn)場有非常豐富的現(xiàn)場總線和各種應(yīng)用協(xié)議，這些導(dǎo)致了IT對現(xiàn)場的訪問必須編寫非常多的驅(qū)動程序和增加額外的設(shè)備，而OPC UA TSN解決了這些問題，就像圖11所示，在貝加萊的系統(tǒng)中，通過OPC UA TSN，即可以在一個傳統(tǒng)的實時網(wǎng)絡(luò)域中保持原有的應(yīng)用，并可以通過帶有OPC UA TSN接口的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)兼容性通信，也可以與第三方網(wǎng)絡(luò)通過OPC UA TSN實現(xiàn)通信，消除了在橫向集成中的網(wǎng)絡(luò)障礙。
對于云端應(yīng)用同樣如此，由于OPC UA TSN實現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的語義互操作，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、AR/VR等也能夠同時傳輸。
圖11-基于OPC UA TSN的架構(gòu)
OPC UA TSN解決了傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的傳輸復(fù)雜性問題，而使得IIoT、智能制造推進中的OICT融合得以完美實現(xiàn)。
因此，我們可以知道OPC UA TSN對智能制造、IIoT何其重要。
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