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對于工業物聯網在未來制造業發展中的地位已經成為產業毋庸置疑的共識。大量的投入正在這一潛力巨大的領域進行著，然而，目前為止很多尚停留于表面。在終端客戶的需求刺激下，自動化廠商明白所遇到的IIOT第一道檻：基于開放標準的無縫集成。時間敏感型網絡（TSN）與OPC UA的融合提供了高精度確定的機器、控制器、I/O的訪問—并且無需考慮底層是誰家的設備。

OPC UA TSN滿足今天制造業應用所需的所有通信需求

作為一個開放的協議，OPC UA已經在工業領域得到廣泛應用。幾乎所有的制造商都在他們的控制器或其它產品中提供了對OPC UA的支持。相應技術在OPC 基金會統一協調管理下由不同成員進行開發并推廣。機器與設備的操作者自此無需擔心簡單的通信技術選擇而被制造商所綁定的潛在風險。

通過標準化的系統連接，他們可以分享相同的訪問技術并可以聚焦于解決新的挑戰。過去，我們已經習慣網絡中有30到40個節點，而未來我們甚至可以看到達到1000甚至更多節點在應用中出現。

持續增長的節點

挑戰在于尋找如何管理持續增長的管理與控制的節點數量，對于這一挑戰，自動化廠商還需要通過差異化來為其客戶提供附加值獲得機會。因此，用于流水線復雜網絡大量節點的設置與配置的軟件也變得愈發重要，這些工具也要能設計的無需復雜的IT培訓即可應用。

除了節點數量的高速增長，并且，數據量也將以指數增長，這使得傳統的工業總線協議應對如此大量數據洪流非常困難，這就是OPC UA承諾進行實質性改善的方向。

信息，而非數據

OPC UA最大的優勢在于信息模型（傳統的總線系統傳輸非結構化數據-沒有如單位、數據從屬關系、讀寫屬性等信息），運行于控制器上的應用知道如何采用眾所周知的方法來解析這些數據，如何采用對象字典的查詢方式。

這種方法在機器獨立運行的情況下顯然沒有什么問題，但是，隨著機器的數據被其它機器、SCADA系統甚至在基于云技術的ERP系統應用，這些數據傳輸將缺乏語義信息，而僅僅是非結構化數字。

更少的錯誤

在過去，語義語境通過長的表格甚至手寫的表單傳輸，這一繁瑣乏味的工作，并且經常是錯誤的源頭的方法逐漸被OPC UA所替代，使得實現便捷、高效的敏捷制造方案成為了可能。

通過它的信息模型，OPC UA不僅可以傳輸數據，而且傳輸的信息可以被網絡上任何節點正確解析，而無需進一步的解釋。例如：我們有一個測量溫度為5攝氏度的傳感器，按照傳統的議，控制器將接收它作為一個整型數據類型，其值為“5”，即，在控制器上它僅被表示為數值而不包含語義，控制器的應用僅有限的應用它。

OPC UA則采用不同的方法，值“5”是與其語義內容一起提供的，攝氏度、上下限、事件也會被提供。

信息需求

由于OPC UA網絡上的節點也可以查詢這些信息，這使得它可以被更為廣泛的方式來使用。如果你想生成一個ERP報告，ERP系統可以瀏覽網絡來獲得相關信息。一旦找到，這些信息可以被采集到一個數據庫并在報告中瀏覽。過去這些數據需要采用手動的方式傳輸，每個單獨值的語義信息都需要存儲在ERP系統中。有了這樣的靜態結構，機器上的變量的變化也需要ERP系統中重新編程。

這個例子突出顯示了OPC UA簡化了控制層到更高級別系統的通信，然而，我們遇到了新的障礙，當更高級的IT系統將查詢發送到機器網絡時（這里我們成為運營技術或OT），網絡負載不可避免的增加了。

對于IT網絡，毫秒級的延遲是可以接受的，但是，對于高精度的制造過程而言，微秒級是必要的。這種情況下，毫秒級的延遲可能會使得機器關閉，降低產品品質，甚至導致設備對人身的傷害。這是為什么幾乎每個制造商都額外的將IT與OT系統進行獨立運營維護的原因。IT網絡缺乏確定性和周期性數據報文傳輸能力-而在OT層面這又是必須的。

一個共享網絡

IT網絡遵循眾所周知的“最大努力傳輸”原則—這意味著數據包優先級和傳輸是按照盡量快的方式。如果容量在任意節點超出負載，就會造成瓶頸—然而這在機器網絡里是不允許發生的。直到現在在一些基礎網絡設施尚不能實現最大努力和周期性數據傳輸。隨著TSN的出現，這一問題可以被解決，TSN是以太網標準的延展，將用于解決通用數據與時間嚴苛型數據在同一網絡中的傳輸。

第一步對于設備網絡的確定性數據傳輸而言是定時與降低時延，IEEE802.1AS-Rev標準被開發用于實現這一目標。它描述了網絡中所有節點建立統一網絡時鐘同步的機制。

下一步為了保護確定性數據的優先級，這個由IEEE802.1 Qbv和Qba來完成—他們定義了網絡交互必須運行在一種對確定數據進行有保障的時間幀中，這意味著其它報文必須等待。

為了建立統一的網絡配置，流量預留協議（IEEE802.1Qcc）提供配置的標準接口和機制。TLS之上的NETCOF作為一個配置協議。

再見-帶寬問題

如果可以融合兩種傳輸機制在一個網絡，這就使得周期性數據傳輸和非時間嚴苛型數據可以在同一物理層進行傳輸，由于現代產線網絡越來越依賴于千兆網甚或更高，這使得網絡帶寬瓶頸包括傳統現場總線的，也包括百兆以太網都可以被同時解決。

OPC UA和TSN的融合將成為新的工業自動化架構邁向舞臺。這一全新設計的最值得關注的特性在于它消除了IT與OT網絡的邊界。這不僅使得新的工廠可以被完全連接，也意味著舊的工廠也可以同樣被連接，通過B&R的Orange Box，大量設備可以通過OPC UA被集成到生產網絡，而這對現有的機器無需進行任何改變。

貝加萊積極參與到OPC UA和TSN融合從實驗探索到測試以及產品開發的各個階段。貝加萊看到了OPC UA TSN為機器與設備運營領域的巨大潛力，因此不遺余力的推動該技術在實際應用領域的發展。

貝加萊的OPC UA TSN的原型產品已經在測試床與其它IT、OT廠商的產品共同進行互操作測試-這是在IIC組織下進行的。到目前為止，已經達到了非常良好的應用結果。此外，OPC UA會非常快能夠提供針對高實時與低抖動的傳輸層。

OPC UA TSN將提供無縫垂直制造連接的方案

作者：貝加萊Open Automation 技術部經理 Sebastian Sachse

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新驅動型自動化企業，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個業務單元。作為全球工業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軟件開發環境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續的創新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業自動化領域前沿技術與方案。