工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)OPC UA TSN的詳細(xì)資料概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在成為熱點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)均將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視為提升自身運(yùn)營(yíng)效率的法寶，在政策的鼓勵(lì)下也都增大投資，并且構(gòu)建各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括云、邊緣平臺(tái)，然而，我們必須清楚的意識(shí)到，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須先構(gòu)建一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)”，而這個(gè)話題卻較少被關(guān)注到，因?yàn)槟壳昂芏鄰氖鹿I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的都來(lái)自IT產(chǎn)業(yè)，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)缺乏一定的認(rèn)識(shí)，因此，有必要對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的情況予以了解，并據(jù)此制定路線，如果自上而下規(guī)劃一定會(huì)遇到數(shù)據(jù)的采集與最終的優(yōu)化結(jié)果形成的指令、程序下行傳輸問(wèn)題，而自下而上的規(guī)劃就會(huì)先解決“互聯(lián)”問(wèn)題。

一工業(yè)互聯(lián)的障礙

在單個(gè)的機(jī)器生產(chǎn)，包括流程工業(yè)的運(yùn)營(yíng)中，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線是可以解決問(wèn)題的，我們把這種定義為“集中控制”，由PLC/IPC作為控制中心，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將分布式I/O節(jié)點(diǎn)、伺服驅(qū)動(dòng)器等連接，并通過(guò)軟件定義的機(jī)器工藝與邏輯，控制機(jī)器的運(yùn)行，保證加工速度與效率。

?圖1-集中式控制到分布式計(jì)算的改變

而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則基于“協(xié)同制造”，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)中的節(jié)拍、降低不增值的生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗的時(shí)間成本，并且通過(guò)全局的產(chǎn)線、工廠數(shù)據(jù)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)全局的“規(guī)劃”、“優(yōu)化”、“策略”這樣的邊緣計(jì)算問(wèn)題，在更長(zhǎng)的時(shí)間粒度上，還會(huì)牽扯到基于云的大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。

圖1反映了這種集中式控制與分布式計(jì)算架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要特征。

1.1語(yǔ)義互操作問(wèn)題

由集中式控制到分布式計(jì)算，這樣的架構(gòu)使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線會(huì)遇到瓶頸，這包括以下幾個(gè)方面：

連接，缺乏統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議，各個(gè)不同的總線包括Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen，這些使得設(shè)備間無(wú)法實(shí)現(xiàn)“語(yǔ)義互操作”，而對(duì)于M2M、以及垂直的B2M、包括端到端的B2B場(chǎng)景而言，語(yǔ)義互操作是必須解決的問(wèn)題，否則數(shù)據(jù)就無(wú)法真正被連接。

語(yǔ)義互操作相當(dāng)于用相同的語(yǔ)言說(shuō)，而不是中文說(shuō)“你好”、英語(yǔ)說(shuō)“Hello”、法語(yǔ)說(shuō)“ Bonjour”、 俄語(yǔ)會(huì)說(shuō)Здравствуйте，而這些必須以統(tǒng)一的語(yǔ)言，在工業(yè)通信里包括語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、語(yǔ)義的統(tǒng)一和規(guī)范，這里強(qiáng)調(diào)的是統(tǒng)一規(guī)范，而不是每個(gè)公司都用不同的，例如5+5計(jì)算的時(shí)候，如果一個(gè)是5cm，一個(gè)是5inch這個(gè)5+5就無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。

1.2網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一性問(wèn)題

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與IT的商業(yè)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有非常大的差別，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)特別強(qiáng)調(diào)“實(shí)時(shí)性”-因?yàn)樗锌刂剖腔凇暗葧r(shí)同步”，即網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，以及低抖動(dòng)（一般在50nS左右），包括對(duì)安全性的需求（Safety而非信息安全的Security），而IT網(wǎng)路因?yàn)閭鬏旑愃?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">視頻、音頻、圖像、文件等需要高帶寬，以及安全性（Security），這些差異使得工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)有很大的差別，在ISO/OSI模型中，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通暢僅物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層架構(gòu)為主，交換機(jī)一般都不大使用，因?yàn)闀?huì)有延時(shí)。

二OPC UA扮演的角色

OPC UA和TSN嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并非是一項(xiàng)技術(shù)，而是標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)楫?dāng)整個(gè)互聯(lián)時(shí)，需要的是“標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范”，而OPC UA和TSN分別扮演語(yǔ)義互操作層的任務(wù)，而TSN則實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸。

?圖2-OPC UA模型架構(gòu)

2.1OPC UA的功能與職責(zé)

OPC UA目的為了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的的語(yǔ)義互操作問(wèn)題，如圖2，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的由多個(gè)方面的功能與職責(zé)構(gòu)成：

（1）連接：OPC UA支持兩種模式的連接，對(duì)于MES/ERP、SCADA或者其它任何來(lái)自局域網(wǎng)、私有云架構(gòu)、邊緣計(jì)算側(cè)的節(jié)點(diǎn)而言，都可以通過(guò)Client/Server架構(gòu)和Pub/Sub機(jī)制來(lái)相互建立連接，OPC UA支持針對(duì)http/WebSocket、UA TCP的連接，以及JSON的支持，而Pub/Sub的機(jī)制如MQTT/AMQP也在最新的OPC UA中獲得了支持，使得OPC UA具有了廣泛適用性。

（2）信息模型是OPC UA的核心

事實(shí)上，OPC UA的核心在于信息模型，這包括幾個(gè)方面：

?元模型：包括基礎(chǔ)的對(duì)象、參考、數(shù)據(jù)、類型與結(jié)構(gòu)定義；

?內(nèi)嵌信息模型，包括用于設(shè)備的，以及信息如歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警、趨勢(shì)、日志等的數(shù)據(jù)規(guī)范；

?伴隨信息模型：OPC UA與各個(gè)行業(yè)的技術(shù)組織合作，將各種垂直行業(yè)的信息模型集成到OPC UA架構(gòu)下，如MTConnect針對(duì)機(jī)床行業(yè)、PackML針對(duì)包裝工業(yè)、Euromap針對(duì)塑料工業(yè)，而Automation ML則針對(duì)汽車工業(yè)中的產(chǎn)線中機(jī)器人、控制器等的連接，包括最新的AutoID是針對(duì)RFID、條碼、二維碼的數(shù)據(jù)采集。

信息模型簡(jiǎn)化了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理的工程量，否則，就會(huì)需要大量的工程時(shí)間消耗在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的配置、驅(qū)動(dòng)的編寫、測(cè)試接口等，就無(wú)法快速擴(kuò)張應(yīng)用，使得工業(yè)互聯(lián)沒有經(jīng)濟(jì)性。

（3）安全，傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)等由于采用的是非標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的機(jī)制，因此，也無(wú)法與IT網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行，因此，通常這兩種網(wǎng)絡(luò)是完全隔開的，外界很難訪問(wèn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，因此，也不大存在數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，主要是在人身與財(cái)產(chǎn)安全的功能（基于IEC61508/ISO10218-針對(duì)機(jī)器人行業(yè)等），而對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)安全就變得迫切，因此，OPC UA在整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)中就貫穿了安全機(jī)制，包括加密、角色管理等多重機(jī)制。

2.2OPC UA被工業(yè)界大多數(shù)企業(yè)與組織所支持

目前，OPC UA基金會(huì)有大約4000多支持的企業(yè)，包括了全球最為知名的自動(dòng)化廠商如ABB、SIEMENS、ABB旗下的B&R、Rockwell AB、Schneider、NI、和利時(shí)等眾多主流自動(dòng)化廠商，也包括CISCO、Microsoft、SAP，以及國(guó)內(nèi)的華為，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)、如FDT/DTM、EPSG、ETG，包括VDMA、ZVI等協(xié)會(huì)都加入OPC UA基金會(huì)，共同推動(dòng)OPC UA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

OPC UA也是美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA的通信互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于德國(guó)工業(yè)4.0而言，其Administration Shell是其協(xié)同關(guān)鍵，也是支持OPC UA作為通信標(biāo)準(zhǔn)，包括中國(guó)的智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系也同樣支持OPC UA作為信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。

如圖3所示，工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)中，通信則是基于OPC UA扮演非常關(guān)鍵的角色，在多個(gè)層次進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并通過(guò)伴隨協(xié)議來(lái)支持垂直行業(yè)的信息交互。

?圖3-基于OPC UA的工業(yè)4.0通信實(shí)現(xiàn)

TSN--遠(yuǎn)非聚焦工業(yè)的通信技術(shù)

3.1TSN應(yīng)用于哪些場(chǎng)景？

在ISO/OSI模型中，TSN主要聚焦在第二層，最初，它是為了音/視頻同步而設(shè)計(jì)，后來(lái)被汽車行業(yè)關(guān)注成立了IEEE802.1Q工作組用于AVB(Audio-Video Bridge)，后來(lái)被工業(yè)領(lǐng)域的人關(guān)注，在2015年由主要的自動(dòng)化、IT廠商成立了TSN工作組致力于開發(fā)具有通用架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，目前華為、CISCO這些IT廠商、ABB、Shneider、SIEMENS幾乎絕大多數(shù)的自動(dòng)化廠商都參與到了這個(gè)技術(shù)的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中。

圖4顯示了TSN對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，包括了廣播、精確同步時(shí)鐘（工業(yè)場(chǎng)景、航空航天、高鐵、車聯(lián)網(wǎng)）、用于安全的實(shí)時(shí)控制（SIL3/PL e等級(jí)的安全需要高動(dòng)態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)支持）、高吞吐量的數(shù)據(jù)如圖像、高清視頻，包括未來(lái)的AR/VR應(yīng)用于工業(yè)的場(chǎng)景，都需要高帶寬、低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸，因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)—這個(gè)包括了多種類型數(shù)據(jù)、應(yīng)用場(chǎng)景的未來(lái)趨勢(shì)，必須借助于TSN這樣的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)然，TSN目前主要在底層有線網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)也會(huì)包括DetNet（由電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)建立的上層網(wǎng)絡(luò)）、5G都會(huì)融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各司其職的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

?圖4-TSN應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)的傳輸需求而產(chǎn)生

3.2TSN技術(shù)由哪些構(gòu)成？

TSN技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是基于“橋接”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且采用了更為精準(zhǔn)的gPTP時(shí)鐘（相對(duì)于傳統(tǒng)IEEE1588的升級(jí)版），時(shí)鐘數(shù)據(jù)會(huì)在第2層直接插入到數(shù)據(jù)幀，而不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用IPv4/IPv6的IP數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間，由于經(jīng)過(guò)路由等會(huì)有較大的延時(shí)，TSN有眾多的Shaper-整形器來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類調(diào)度，時(shí)間嚴(yán)苛需求就可以走直接的預(yù)先規(guī)劃的時(shí)間通道，而其它則基于“Best Effort”的策略來(lái)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)傳輸調(diào)度。

TSN有系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，目前IEEE已經(jīng)發(fā)布了很多標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示，它包括了多個(gè)部分的標(biāo)準(zhǔn)：

?圖5-TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

（1）時(shí)鐘同步

包括IEEE802.1AS和為了工業(yè)更為可靠的時(shí)鐘同步修訂版IEEE802.1AS-Rev,相對(duì)而言，IEEE802.1AS-rev對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘精度要求更高，而且它支持一步機(jī)制，不像有些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如果不帶時(shí)間戳還需第二步額外再發(fā)一個(gè)時(shí)間信息包。

（2）數(shù)據(jù)流控制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)

主要是針對(duì)各種整形器的標(biāo)準(zhǔn)（Shaper），在數(shù)據(jù)流處理（如圖6所示），經(jīng)過(guò)接收端、入口、濾波、流量計(jì)量，到達(dá)交換機(jī)隊(duì)列中，而傳輸選擇則是基于不同的整形器（Shaper）來(lái)進(jìn)行不同應(yīng)用場(chǎng)景的流控制，主要包括以下幾種情況：

CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB標(biāo)準(zhǔn)包；

TAS—時(shí)間感知執(zhí)行器，對(duì)于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器，目前這個(gè)主要針對(duì)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景；

搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,這個(gè)是為了讓Qbv的帶寬使用更為高效而設(shè)計(jì)的機(jī)制；

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉(zhuǎn)發(fā)，以及Qcr異步數(shù)據(jù)流整形（ATS）等，這些不同的整形器基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

?圖6-IEEE802.1Q的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀處理流程

（3）為了可靠性而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.1AS-Rev主要是為了避免主時(shí)鐘失效時(shí)切換到另一個(gè)主時(shí)鐘；

IEEE802.1Qci幀檢測(cè)過(guò)濾與報(bào)錯(cuò)-針對(duì)數(shù)據(jù)幀為及時(shí)到達(dá)或者錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀等進(jìn)行的處理機(jī)制；

IEEE802.1QCB-針對(duì)數(shù)據(jù)幀的復(fù)制與解除-數(shù)據(jù)沿著環(huán)路走時(shí)會(huì)復(fù)制，但在某個(gè)節(jié)點(diǎn)相遇則會(huì)解除一個(gè)數(shù)據(jù)幀的處理機(jī)制。

（4）網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議

包括IEEE802.1Qat-針對(duì)汽車行業(yè)的AVB協(xié)議包里的一個(gè)流預(yù)留協(xié)議（Stream Reservation Protocol）；

IEEE802.1Qcc，針對(duì)SRP的增強(qiáng)版，用于配置TSN網(wǎng)絡(luò)中的Qbu+802.3br、Qbv等，包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規(guī)范，這些都是為了更好的配置網(wǎng)絡(luò)和用戶。

3.3TSN的主要開發(fā)者

目前TSN由包括Cisco、華為等眾多IT和自動(dòng)化廠商來(lái)開展，圖7是最早的參與者，積極的進(jìn)行各種TSN技術(shù)的研發(fā)，目前這個(gè)隊(duì)伍已經(jīng)擴(kuò)展至幾乎所有的主流自動(dòng)化廠商，也包括國(guó)內(nèi)的很多科研院所、大學(xué)、企業(yè)，并且一些企業(yè)如貝加萊、西門子、三菱、倍福、TTTech等已經(jīng)有產(chǎn)品在2017/2018年的德國(guó)SPS和漢諾威展展出。

?圖7-TSN最初的核心發(fā)起者企業(yè)

OPC UA TSN構(gòu)成了邊緣與云端的數(shù)據(jù)源

總結(jié)一下，用圖8，我們看到，OPC UA和TSN在整個(gè)ISO/OSI模型中分別解決了多個(gè)層次的問(wèn)題，雖然看上去TSN僅處于第2層，但實(shí)際上，它是一個(gè)橋接網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RSTP-快速生成樹的方式形成一個(gè)路徑表，這有點(diǎn)類似于路由表，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)存儲(chǔ)這個(gè)路由表，然后對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸，而OPC UA則包括了會(huì)話、表示和應(yīng)用層，包括如何建立主從、Pub/Sub的連接，以及安全的數(shù)據(jù)傳輸TLS機(jī)制。

?圖8-OPC UA TSN在ISO/OSI模型中的定義

因此，我們可以看到，OPC UA TSN構(gòu)成了類似于Internet的架構(gòu)，而它是真正針對(duì)工業(yè)的場(chǎng)景的，未來(lái)，由OPC UA TSN構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為邊緣計(jì)算端、云端等應(yīng)用的數(shù)據(jù)源。