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今天的形勢

當我們討論工業(yè)物聯網、智能制造的時候，它的基礎是基于網絡協同而實現的，傳統(tǒng)的IT主要對于高帶寬的需求，而OT則強調其低延時，盡管物理的介質、互聯的接口都已經有了，而在異構網絡連接中的“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――傳統(tǒng)的工業(yè)現場主要基于“等時同步”的控制循環(huán)，其需要低延遲的確定性網絡，而當前如視覺、振動等應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據傳輸和智能分析。隨著AR/VR和機器視覺的更為廣泛的應用，這些問題將比以往更加突出。

圖1-工業(yè)物聯網面臨的挑戰(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業(yè)互聯難題。

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確保異構網絡中的數據能夠按照統(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)范來表達應用場景中的“設備行規(guī)”。

TSN則解決“實時”與“非實時”數據的同一網絡傳輸問題，它在ISO/OSI模型的數據鏈路層，TSN由一系列的標準構成，主要是解決時鐘同步、數據調度、網絡配置的問題。

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的結構，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用系統(tǒng)進行連接，而且更低的流量消耗。

（2）信息模型：是構成OPC UA的核心，它指為了實現協同所需的信息模型，包括了基礎元模型（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、數據加密機制，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的實現都至關重要，除了在設備、產線層的控制任務數據傳輸，OPC UA還能負責在運營管理層的數據交互，這些在工業(yè)4.0的實現中，如圖4均有定義，而OPC UA在系統(tǒng)的配置、管理認證、建模等均有應用空間，即，通過OPC UA實現對業(yè)務數據的交互—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)務單元如供應鏈的設計、生產制造、運營維護的數據連接。

圖4-OPC UA在整個工業(yè)4.0實現中的角色

因此，我們可以看到，OPC UA對于實現工業(yè)4.0、IIoT的傳輸至關重要，無所不在的傳輸才能奠定整個數字化、信息化的基礎。

TSN-熱度最大的通信技術

TSN并非今天才有，而是最早在音視頻領域，包括現在在航空航天、軌道交通、汽車等領域都已經開始了TSN的研發(fā)與應用，工業(yè)領域是2015年的TSN工作組成立為起點，事實上，TSN是由一系列的IEEE標準構成，圖5來自IEEE官方關于TSN標準的構成，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，對網絡的延遲進行測量和計算，并確保數據傳輸的高精度時間基準。

（2）整形器設計：為不同的應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據流所定義的ATS（基于IEEE802.1Qcr）。

圖5-TSN相關標準（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：包括流預留協議（Stream Reservation Protocol）的IEEE802.1Qat，用于配置用戶和網絡的增強的流預留協議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的技術推動與實現，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據流管理的“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)領域豐富的應用與研發(fā)經驗。

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)物聯網通信方案”

作為最早將TSN產品發(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臺交換機共同構成的系統(tǒng)，測試其響應達到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。

場景應用

OPC UA典型應用

看上去OPC UA和TSN僅是一些技術標準與規(guī)范，那么，它在實際的應用中如何呈現呢？這里我們僅拿幾個簡單的例子予以說明—因為OPC UA TSN的應用領域之廣泛遠非我們想象。

1.mappVIEW

可能你沒有想到，對于HMI的設計居然也有OPC UA的事，是的，在貝加萊的mappVIEW中就采用了OPC UA作為“中間服務器”，傳統(tǒng)的HMI和控制器之間有緊密的綁定關系，因此，程序的修改會導致HMI畫面的修改，而HMI修改也會導致程序的修改，有了OPC UA做中間隔離后，就可以實現程序與HMI的獨立（軟件工程稱為“關注點分離”-SeparteofConcern），這樣可以實現模塊化的軟件設計。

圖9-基于OPC UA實現的mappVIEW

由于OPC UA支持“角色”，這使得針對不同的用戶（總經理、電氣經理、操作人員）有不同的訪問數據的權限，而這些僅簡單配置即可，而無需以前復雜的編程。

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技術的畫面，包括自適應能力、多點觸摸能力、表格、曲線的繪制都會變得簡單。

mappVIEW精彩的HMI設計即基于OPC UA本身的SoA，服務器架構。

2.Euromap

垂直行業(yè)信息模型是另一個OPC UA的關鍵，對于不同行業(yè)，其所需要的數據傳輸、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)主軸轉速是必要的，這些行業(yè)的差異使得對信息的構建也不同。

信息模型會簡化行業(yè)工程應用所消耗的時間，而無需復雜編程，通過簡單的模型調用即可獲得相關的參數，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應用

在今天，我們探討工業(yè)物聯網（IIoT）的時代卻遇到非常多的困難，因為最直接的困難在于現場有非常豐富的現場總線和各種應用協議，這些導致了IT對現場的訪問必須編寫非常多的驅動程序和增加額外的設備，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)的實時網絡域中保持原有的應用，并可以通過帶有OPC UA TSN接口的網絡實現兼容性通信，也可以與第三方網絡通過OPC UA TSN實現通信，消除了在橫向集成中的網絡障礙。

對于云端應用同樣如此，由于OPC UA TSN實現了異構網絡中的語義互操作，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

OPC UA TSN解決了傳統(tǒng)工業(yè)現場的傳輸復雜性問題，而使得IIoT、智能制造推進中的OICT融合得以完美實現。

因此，我們可以知道OPC UA TSN對智能制造、IIoT何其重要。

欲了解貝加萊在OPC UA TSN的最新技術進展和應用，請訪問貝加萊深圳機械展展臺。

關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創(chuàng)新驅動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠自動化業(yè)務單元。作為全球工業(yè)自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產業(yè)客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業(yè)物聯網通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業(yè)自動化領域前沿技術與方案。