時(shí)間:2018-09-06 14:41:44來(lái)源:中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng)
盡管OICT融合是一個(gè)產(chǎn)業(yè)共識(shí),然而,真正推動(dòng)卻并非想象那么簡(jiǎn)單,而我們?cè)谟懻撝悄苤圃斓母鞣N實(shí)現(xiàn)途徑,包括邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候,我們遇到的第一個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是連接問(wèn)題,如果不解決這個(gè)問(wèn)題則無(wú)法推進(jìn)其它問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)。
1.IT與OT融合難度在哪里?
1.1現(xiàn)場(chǎng)總線到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)
圖1是一個(gè)對(duì)于制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的描述,相對(duì)于傳統(tǒng)的PLC集中式控制,現(xiàn)場(chǎng)總線為工業(yè)控制系統(tǒng)帶來(lái)了很多便利,通過(guò)統(tǒng)一的總線連接實(shí)現(xiàn)了分布式控制,并且通過(guò)總線使得接線變得更為簡(jiǎn)單,而系統(tǒng)的配置、診斷的工作量因此也下降,因此,現(xiàn)場(chǎng)總線是為制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)很多便利的技術(shù),然而,各家公司都開(kāi)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??偩€本身是帶來(lái)便利的,但是,不同的總線又造成了新的壁壘,因?yàn)楦骷夜镜臉I(yè)務(wù)聚焦、技術(shù)路線的不同,使得各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線在物理介質(zhì)、電平、帶寬、節(jié)點(diǎn)數(shù)、校驗(yàn)方式、傳輸機(jī)制等多個(gè)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(wú)法互聯(lián)。
圖1-OPCUATSN技術(shù)的產(chǎn)生基礎(chǔ)原因
這也是因何實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)在21世紀(jì)初開(kāi)始投入使用的原因,2001年貝加萊推出POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)是工業(yè)領(lǐng)域第一個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng),而之后分別有Profinet、Ethernet/IP、SERCOSIII、EtherCAT等各個(gè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)投入應(yīng)用,相較于傳統(tǒng)總線實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的好處在于物理介質(zhì)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、距離、帶寬、校驗(yàn)、診斷都統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3網(wǎng)絡(luò),因此在這個(gè)層面上,大家實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。
1.2互連互通與互操作
但是,實(shí)時(shí)以太網(wǎng)只是解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問(wèn)題,對(duì)于應(yīng)用層而言,仍然無(wú)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(gè)層級(jí),各個(gè)實(shí)時(shí)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(wú)法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作。
簡(jiǎn)單理解語(yǔ)義互操作就是“5+5”這樣的計(jì)算在自動(dòng)化控制中,是物理的信號(hào)直接進(jìn)行的處理,而對(duì)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(shí)就會(huì)需要更多信息,如單位,“5英寸+5厘米”顯然是無(wú)法進(jìn)行加法計(jì)算的,這個(gè)時(shí)候我們需要語(yǔ)義規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),以便讓不同的系統(tǒng)之間認(rèn)識(shí)到各自每個(gè)參數(shù)所表達(dá)的語(yǔ)義。
1.3智能時(shí)代的工業(yè)通信
在前面我們討論的是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)水平與垂直方向?qū)崿F(xiàn)物理信號(hào)的采集與信息的傳輸,但是,到了智能制造時(shí)代,我們需要更為全局的數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算與分析、優(yōu)化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制造的高效協(xié)同,提升整個(gè)生產(chǎn)效率。
圖2簡(jiǎn)要描述了這一場(chǎng)景,從工廠到供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要數(shù)據(jù)的連接,那么這個(gè)時(shí)候,IT與OT的融合會(huì)遇到如下復(fù)雜性:
圖2-工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景
(1)總線的復(fù)雜性帶來(lái)的障礙
總線的復(fù)雜性不僅為制造現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)復(fù)雜性,也同樣為IT訪問(wèn)OT帶來(lái)了巨大的障礙,因?yàn)闉榱瞬煌臄?shù)據(jù)訪問(wèn)就得寫(xiě)不同的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序,對(duì)于老的工廠采用的不同的物理介質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)程序,即使采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng),語(yǔ)義仍然需要編寫(xiě)不同的接口程序,而豐富的現(xiàn)場(chǎng)總線與應(yīng)用層組合出成千上萬(wàn)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(fèi)巨大,這使得實(shí)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(wú)法經(jīng)濟(jì)的實(shí)施項(xiàng)目,那么就沒(méi)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)的不同也使得網(wǎng)絡(luò)需求差異,這使得往往采用不同的機(jī)制,對(duì)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(duì)從站分配時(shí)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(wú)法滿足周期性的確定性傳輸以及微秒級(jí)的實(shí)時(shí)性,才開(kāi)發(fā)了POWERLINK、Profinet等基于以太網(wǎng)的協(xié)議,然而,這些都無(wú)法在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里傳輸兩種不同的數(shù)據(jù)。
(3)實(shí)時(shí)性的差異
由于實(shí)時(shí)性的需求不同,也使得IT與OT網(wǎng)絡(luò)有差異,對(duì)于微秒級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)而言,要求網(wǎng)絡(luò)必須要非常低的延時(shí)與抖動(dòng),而對(duì)于IT網(wǎng)絡(luò)則往往對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有特別的要求,但對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載有著要求。
2.OPCUATSN的角色
圖3描述了OPCUATSN在整個(gè)ISO-OSI模型中所處的位置,我們可以看到,OPCUA主要解決在應(yīng)用層的問(wèn)題,而TSN實(shí)質(zhì)上是處于數(shù)據(jù)鏈路層。
圖3-OPCUA和TSN在ISO-OSI模型中所處的位置
相對(duì)而言,OPCUA出現(xiàn)的更早一些,因此,我們先介紹OPCUA的角色與意義,再談TSN。
2.1OPCUA的角色與意義
(1)OPCUA的角色
OPCUA扮演的角色主要基于下面的問(wèn)題,在IEC關(guān)于互聯(lián)技術(shù)報(bào)告中提到互聯(lián)、互通、語(yǔ)義互操作多個(gè)層面的問(wèn)題(圖4中的不兼容、共存不考慮,互換目前無(wú)法做到),而OPCUA主要解決在語(yǔ)義互操作的問(wèn)題上。
圖4-IEC技術(shù)報(bào)告關(guān)于通信互聯(lián)的層級(jí)定義
(2)OPCUA的核心問(wèn)題-信息模型
圖5-OPCUA的架構(gòu)
盡管OPCUA有非常多的使用原因,包括非盈利組織、IEC標(biāo)準(zhǔn)、安全性,但是,對(duì)于智能制造而言,多個(gè)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OPCUA的協(xié)同。
圖6是一個(gè)針對(duì)塑料行業(yè)的信息模型—采用OPCUA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范開(kāi)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,OPCUA基金會(huì)與OMAC/PackML—針對(duì)包裝工業(yè)的垂直行業(yè)信息模型,MTConnect—針對(duì)機(jī)床工具、AutomationML—汽車工業(yè)、BacNet—針對(duì)樓宇、ISA-針對(duì)MES系統(tǒng),以及各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織如PI、EPSG、ETG等合作,使得OPCUA成為共同支持的語(yǔ)義互操作層面的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。
圖6-采用OPCUA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范開(kāi)發(fā)的信息模型
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OPCUA的管理殼設(shè)計(jì)
因此,我們可以看到,OPCUA在整個(gè)OICT融合中扮演了非常重要的角色,而由于OPCUA基金會(huì)的公益性、IEC62451標(biāo)準(zhǔn)等原因,使得OPCUA獲得了全球最主要的自動(dòng)化廠商的支持,目前OPCUA基金會(huì)是最為活躍,規(guī)模達(dá)到4000多廠商的全球性標(biāo)準(zhǔn)化組織。
2.2TSN與TSN的角色
相對(duì)而言,TSN技術(shù)才剛剛開(kāi)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(chǎng)景,而之后隨著汽車工業(yè)中無(wú)人駕駛/輔助駕駛技術(shù)的需要,TSN也被納入了開(kāi)發(fā)中,而在2012年原有的IEEE802.1Q成立針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性工作組,稱為IEEE802.1TSN。
TSN應(yīng)用于解決之前我們?cè)诘谝还?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(wèn)題,實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題,原有的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3沒(méi)有確定性,因此才開(kāi)發(fā)了各種實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(huì)大大簡(jiǎn)化整個(gè)智能集成的工作量,并且變得更為簡(jiǎn)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(lái)定義精確的時(shí)鐘同步,然后采用數(shù)據(jù)隊(duì)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(lái)對(duì)高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,而IEEE802.1Qbv則采用TimeAwareShaper—為高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供專用的時(shí)間通道,而對(duì)其他非實(shí)時(shí)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:
IEEE802.1Qcc則是針對(duì)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(duì)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(shí)際上是為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)交互、實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在同一通道中傳輸而開(kāi)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(zhǎng),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.OPCUATSN架構(gòu)了未來(lái)智能制造網(wǎng)絡(luò)
在第二節(jié)單獨(dú)對(duì)OPCUA和TSN進(jìn)行了介紹,而正如圖1所示,未來(lái),這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將共同為制造業(yè)帶來(lái)互聯(lián)的基礎(chǔ)。
3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)
圖10顯示了OPCUATSN在整個(gè)OSI模型中的位置,但是,實(shí)際上并非這么簡(jiǎn)單,我們可以從OPCUA的機(jī)制中看到,實(shí)際上OPCUA包括會(huì)話、連接實(shí)際上已經(jīng)將會(huì)話層與表示層進(jìn)行了覆蓋,而TSN同樣雖然僅指數(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-OPCUATSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
如果這樣來(lái)理解OPCUATSN,我們就會(huì)發(fā)現(xiàn),實(shí)際上OPCUA和TSN貫穿了整個(gè)OSI七層模型,使得通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范實(shí)現(xiàn)了一個(gè)真正的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”—IndustrialInternet。
圖11-基于OPCUATSN的未來(lái)工業(yè)通信架構(gòu)
圖11則是整個(gè)基于OPCUATSN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),我們可以看到,通過(guò)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(dòng)器之間的物理信息傳輸,OPCUA即可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)結(jié)合構(gòu)成數(shù)據(jù)的多個(gè)維度集成,在未來(lái)也可以通過(guò)TSN與OPCUA的集成實(shí)現(xiàn)全新的制造現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)集成。
4.OPCUATSN技術(shù)進(jìn)展
4.1OPCUATSN的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程
OPCUA已經(jīng)成為IEC標(biāo)準(zhǔn),并在2017年成為中國(guó)國(guó)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OPCUA的補(bǔ)充機(jī)制,在Part13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)如表2
表2-TSN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程-已經(jīng)完成的包括IEEE802.1Qbv、Qca,表2為2017年的狀態(tài),要想了解IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程可以訪問(wèn)ieee802.org官方網(wǎng)站獲取詳細(xì)信息。
表2-TSN目前標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展
4.2產(chǎn)業(yè)推進(jìn)
目前OPCUA和TSN的進(jìn)展處于研發(fā)階段的多,公開(kāi)發(fā)布產(chǎn)品的較少,2016年德國(guó)SPS展上,貝加萊發(fā)布了基于OPCUATSN的測(cè)試系統(tǒng),如圖12,在該系統(tǒng)中,由200個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)和5個(gè)高清視頻所構(gòu)成的OPCUATSN網(wǎng)絡(luò),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次刷新的響應(yīng)達(dá)到100μS。
圖12-基于OPCUATSN的測(cè)試單元
2018年漢諾威展上,包括SIEMENS等眾多廠商也開(kāi)始發(fā)布TSN產(chǎn)品。
4.3測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)
在2018年4月漢諾威展上,由華為聯(lián)合ABB、B&R、Schneider、ARM等企業(yè)共同發(fā)布共建OPCUATSN的測(cè)試床的發(fā)布會(huì),這代表著IT與OT融合的最新推進(jìn),也是OPCUATSN進(jìn)入實(shí)質(zhì)階段的里程碑。
圖13-2018年漢諾威展TSN-OPCUA測(cè)試床發(fā)布
5.總結(jié)
OPCUA與TSN代表了未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)趨勢(shì),也代表著OICT融合的實(shí)現(xiàn)道路,本文主要從OT的視角來(lái)理解OPCUA和TSN,對(duì)于IT端的應(yīng)用而言,OPCUATSN提供了訪問(wèn)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(jì)算的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
關(guān)于貝加萊
貝加萊是一個(gè)總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè),2017年7月,貝加萊成為ABB集團(tuán)的一個(gè)業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者,貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力,為各個(gè)產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPCUA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的AutomationStudio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境,貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神,為客戶提供更為簡(jiǎn)化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。
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