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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為了熱點(diǎn)—事實(shí)上，想要實(shí)現(xiàn)“信息互聯(lián)”的努力已經(jīng)有很多年了，然而，這并非易事，因?yàn)橹圃鞓I(yè)的細(xì)分造成了垂直領(lǐng)域的壁壘，IT試圖訪問OT遇到的障礙超出了大多數(shù)人的想象，因此，對(duì)于如何突破這些壁壘，我們很有必要了解基礎(chǔ)互聯(lián)的問題，必須了解OPC UA和TSN目前正在國(guó)際前沿廠商所尋求的面向未來互聯(lián)的解決方案。

圖1-金字塔架構(gòu)到分布式架構(gòu)

有的專家認(rèn)為圖1左側(cè)為傳統(tǒng)的工廠架構(gòu)，這一架構(gòu)將在未來為右側(cè)的云計(jì)算/邊緣計(jì)算架構(gòu)所替代，其實(shí)，集中控制與分布式計(jì)算是會(huì)共存的，并非非此即彼的對(duì)立，然而，無論是哪一種方式，互聯(lián)必須得以有效的實(shí)現(xiàn)。

1.IT與OT實(shí)現(xiàn)融合的障礙在哪里？

在過去推動(dòng)的進(jìn)程里，我們聽到最多的是關(guān)于底層協(xié)議的抱怨，“協(xié)議都不開放”、“不知道采集的數(shù)據(jù)是什么？”、“我們的時(shí)間都耗費(fèi)在了配置參數(shù)上”，這種困境使得人們所描繪的美好互聯(lián)世界變得讓人煩躁不安—“這真的是我們期望的互聯(lián)世界嗎？”。

（1）機(jī)器間的協(xié)議障礙

現(xiàn)實(shí)的工廠遠(yuǎn)非理想的世界，有些情況是連通信接口都沒有，而如果有的話，那也經(jīng)常會(huì)不同，有時(shí)候，你甚至發(fā)現(xiàn)同一家公司的不同代次的產(chǎn)品都存在這樣的連接問題。

（2）語義互操作的障礙

就像英語你可以說“Hello！”表示問候，中文說“你好！”，不同國(guó)家的人都會(huì)有不同的語言，不同的機(jī)器也有不同的語言，就像有的用“英寸”，而另一個(gè)采用“厘米”做單位，這些語義之間的差異使得你不能說“A機(jī)器走了2英寸，而B機(jī)器走了2厘米，他們相同的位移”，盡管從獲得的數(shù)據(jù)上來說都是“2”，但是，這兩者卻完全不同的尺寸。

（3）多個(gè)網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于制造業(yè)工廠的CIO來說，最理想的世界肯定是不要那么多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也不要那么多網(wǎng)絡(luò)接口，更不想為了讓不同的接口和協(xié)議進(jìn)行連接而開發(fā)“適配器”以及“協(xié)議軟件接口”，這還僅僅是OT端，而IT與OT采用的是非一致的網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)層次（ISO-OSI模型）。

IT與OT間的網(wǎng)絡(luò)所拼接的組合數(shù)會(huì)是一個(gè)巨大的數(shù)字，這使得美好的IT與OT融合在過去的20年里被討論，卻直到今天尚未有效實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

2.OPC UA-解決語義互操作問題

為了解決互操作也開發(fā)了很多標(biāo)準(zhǔn)，就目前而言，聲勢(shì)最大也被廣泛認(rèn)可的是OPC UA，OPC UA基金會(huì)屬于非盈利組織，而OPC UA本身也是不為公司掌握的獨(dú)立技術(shù)，成為IEC62451標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，而且在德國(guó)工業(yè)4.0組織和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC均將OPC UA列為了實(shí)現(xiàn)語義互操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

圖2是關(guān)于為什么采用OPC UA的總結(jié)，讀者可以大致了解到它的全局優(yōu)勢(shì)。

圖2-為什么選擇OPC UA？

OPC UA在如圖2中已經(jīng)描述了它的優(yōu)勢(shì)，但很多人仍然僅僅把它理解為一個(gè)通信的規(guī)范，而事實(shí)上，OPC UA真正的核心在于“信息建模”。

圖3是OPC UA的基礎(chǔ)架構(gòu)，包括內(nèi)嵌信息模型、行業(yè)信息模型與供應(yīng)商信息模型幾個(gè)層面的信息模型。

圖3-OPC UA解決信息模型問題

信息模型是什么？如果用OPC UA的技術(shù)來介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與注塑機(jī)進(jìn)行協(xié)同的工作的時(shí)候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數(shù)據(jù)來保證他們之間的工作一致性呢？這就是數(shù)據(jù)的應(yīng)用問題，而同樣道理，我們希望實(shí)現(xiàn)OEE的統(tǒng)計(jì)，那么OEE的計(jì)算就是一個(gè)信息模型，我們需要與之相關(guān)的數(shù)據(jù)，而垂直行業(yè)的信息模型則在于具體的包裝、塑料、印刷行業(yè)所采集的對(duì)象定義不同。

圖4-獲得結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提

簡(jiǎn)單理解信息模型就是為了實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)，而對(duì)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)封裝，OPC UA提供了一個(gè)如何封裝信息模型的標(biāo)準(zhǔn)，除了已經(jīng)納入到OPC UA架構(gòu)下的PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還支持行業(yè)自定義的信息模型，OPC UA采用面向?qū)ο蟮乃枷耄沟眠@些開發(fā)變得簡(jiǎn)單。

在工業(yè)4.0中針對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造各個(gè)環(huán)節(jié)的銜接，必須基于信息的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范才能實(shí)現(xiàn)協(xié)同，那么，如何定義信息之間的協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了Administration Shell，而這個(gè)管理殼同樣基于OPC UA的規(guī)范來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)在各個(gè)管理業(yè)務(wù)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。如圖5所示。

圖5-OPC UA TSN構(gòu)成的智能集成架構(gòu)

3.TSN技術(shù)

在圖5中，我們看到了OPC UA也同時(shí)看到TSN，盡管目前TSN尚未正式投入大量應(yīng)用，但主流的IT廠商如CISCO、華為以及自動(dòng)化業(yè)界的主流廠商均參與TSN的開發(fā)，并逐漸推出其TSN產(chǎn)品。

3.1TSN產(chǎn)生的背景

要了解TSN推出的意義，就先了解一下目前在網(wǎng)絡(luò)通信上的障礙：

（1）總線的復(fù)雜性

總線的復(fù)雜性不僅給OT端帶來了障礙，且給IT信息采集與指令下行帶來了障礙，因?yàn)槊糠N總線有著不同的物理接口、傳輸機(jī)制、對(duì)象字典，而即使是采用了以太網(wǎng)來標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)總線，但是，仍然會(huì)在互操作層出現(xiàn)問題，這使得對(duì)于IT應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)分析、訂單排產(chǎn)、能源優(yōu)化等應(yīng)用遇到了障礙，無法實(shí)現(xiàn)基本的應(yīng)用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這需要每個(gè)廠商根據(jù)底層設(shè)備不同寫各種接口、應(yīng)用層配置工具，帶來了極大的復(fù)雜性，而這種復(fù)雜性使得耗費(fèi)巨大的人力資源，這對(duì)于依靠規(guī)模效應(yīng)來運(yùn)營(yíng)的IT而言就缺乏經(jīng)濟(jì)性，因此，長(zhǎng)期以來，雖然大家關(guān)注，卻很少有公司能夠在這一領(lǐng)域獲得較大的成長(zhǎng)。

（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網(wǎng)絡(luò)則是廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/CD，即沖突監(jiān)測(cè)，防止碰撞的機(jī)制，而且標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀是為了大容量數(shù)據(jù)傳輸如Word文件、JPEG圖片、視頻/音頻等數(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)性沒有特別的要求，但對(duì)數(shù)據(jù)負(fù)載有著要求。

由于IT與OT網(wǎng)絡(luò)的需求差異性，以及總線復(fù)雜性，使得過去IT與OT的融合一直處于困境。

這是TSN網(wǎng)絡(luò)因何在制造業(yè)得以應(yīng)用的原因，因?yàn)門SN解決了上述幾個(gè)障礙：

（1）單一網(wǎng)絡(luò)來解決復(fù)雜性問題，與OPC UA融合來實(shí)現(xiàn)整體的IT與OT融合。

（2）周期性數(shù)據(jù)與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中得到傳輸；

（3）平衡實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)容量大負(fù)載傳輸需求

明白這個(gè)背景，就會(huì)明白TSN為何被OT廠商所共同關(guān)注，希望將其引入制造業(yè)以解決現(xiàn)實(shí)中的融合問題，否則，網(wǎng)絡(luò)將成為推動(dòng)智能制造的第一個(gè)難點(diǎn)。

IEEE802.1本身是為了Audio/Video領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在2005年即成立，并一直致力于開發(fā)針對(duì)音頻/視頻橋的IEEE802.1AVB標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，由Avnu聯(lián)盟負(fù)責(zé)其兼容性以及市場(chǎng)推廣。

IEEE802.1AVB逐漸受到了其它領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)關(guān)注，并對(duì)此產(chǎn)生興趣，但是，AVB并非是一個(gè)適合于所有產(chǎn)業(yè)的名字，在2012年IEEE AVB TG被重命名為TSN TG，在2015年Interworking TG與TSN TG合并成為新的TSN任務(wù)組。

在智能制造時(shí)代，我們說IT與OT融合來實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)透明下的協(xié)同制造，但是，對(duì)于智能制造而言所遇到的問題卻使得IT與OT的融合產(chǎn)生了諸多的障礙，這包括以下幾個(gè)方面

3.2TSN的目標(biāo)問題

TSN主要解決時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度與系統(tǒng)配置三個(gè)問題，如圖6：

圖6-TSN網(wǎng)絡(luò)所聚焦的三個(gè)問題

（1）所有通信問題均基于時(shí)鐘，確保時(shí)鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時(shí)鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。

（2）數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制：為數(shù)據(jù)的傳輸制定相應(yīng)的機(jī)制，以確保實(shí)現(xiàn)高帶寬與低延時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

（3）系統(tǒng)配置方法與標(biāo)準(zhǔn)，為了讓用戶易于配置網(wǎng)絡(luò)，IEEE定義了相應(yīng)的IEEE802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)。

3.3TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

TSN目前由IEEE在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，IEC也開始將其納入到標(biāo)準(zhǔn)體系中，并與IEEE展開合作，凡是IEEE標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，都將不再屬于某家公司，而是一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，供所有人可以去實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，當(dāng)然，會(huì)有一些芯片廠商和技術(shù)服務(wù)商為大家提供開發(fā)支持。

如圖7所示，分布式網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘精確同步是一個(gè)基準(zhǔn)問題，IEEE針對(duì)工業(yè)應(yīng)用對(duì)此進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化使得其更為適應(yīng)多主的情況，并對(duì)冗余能力進(jìn)行了增強(qiáng)。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.1AS-Rev。

圖7-IEEE802.1AS-Rev的分布式時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)

3.3.1IEEE802.1Qbv時(shí)間感知隊(duì)列

TSN的核心在于時(shí)間觸發(fā)的通信原理，在TSN網(wǎng)絡(luò)中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報(bào)文序列的傳輸方式，被標(biāo)準(zhǔn)化為IEEE802.1Qbv。其機(jī)制如圖9所示。

圖8-IEEE802.1Qbv的傳輸機(jī)制

通過時(shí)間感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通過TSN使能交換機(jī)來控制隊(duì)列報(bào)文，以太網(wǎng)幀被標(biāo)識(shí)并指派給基于優(yōu)先級(jí)的VLAN Tag，每個(gè)隊(duì)列在一個(gè)時(shí)間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊(duì)列報(bào)文的在預(yù)定時(shí)間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊(duì)列將被鎖定在預(yù)定時(shí)間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個(gè)交換機(jī)的延遲是確定的，而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文延時(shí)被得到保障。TAS介紹了一個(gè)傳輸門概念，這個(gè)門有“開”、“關(guān)”兩個(gè)狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊(duì)列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時(shí)間表進(jìn)行定義。關(guān)閉到非時(shí)間表的門是另一種提供對(duì)時(shí)間嚴(yán)苛型報(bào)文進(jìn)行帶寬與延時(shí)保障的方法。TAS保障時(shí)間嚴(yán)苛報(bào)文免受其它網(wǎng)絡(luò)信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當(dāng)這些因素非常重要時(shí)，搶占機(jī)制可以被使用。

圖9-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作機(jī)制

如圖9所示，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置時(shí)隊(duì)列就分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對(duì)于Schedule而言則直接按照原定的配置時(shí)間通過，其它則按優(yōu)先級(jí)。Qbv主要為那些時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其必須確保非常低的抖動(dòng)和延時(shí)。Qbv確保了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的交換。

3.3.2IEEE802.1Qbu轉(zhuǎn)發(fā)與隊(duì)列機(jī)制

對(duì)于高帶寬的非時(shí)間嚴(yán)苛型應(yīng)用而言，Qbu的搶占式方式可以解決其傳輸?shù)膯栴}。當(dāng)出現(xiàn)優(yōu)先級(jí)更高的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)立即中斷當(dāng)前傳輸，被中斷的傳輸從中斷點(diǎn)處被重發(fā)。

圖10-Qbu的傳輸序列

IEEE 802.1Qbu與IEEE 802.3br（穿插快速報(bào)文任務(wù)）一同工作于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的搶占機(jī)制上。該標(biāo)準(zhǔn)解決IEEE802.1Qbv所描述的TAS為避免傳輸抖動(dòng)而在嚴(yán)苛型數(shù)據(jù)幀到來之前鎖存了低優(yōu)先級(jí)序列的問題（在一個(gè)最大干擾幀的持續(xù)時(shí)間內(nèi)）。在需要預(yù)定的消息的最小延遲的情況下，TAS機(jī)制可能不是最佳的解決方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定義的優(yōu)先級(jí)的鏈路上，可以中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以允許高優(yōu)先級(jí)幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸?shù)谋恢袛嗟南ⅰＳ袔追N用于搶占正在進(jìn)行的傳輸?shù)耐ㄐ胚x項(xiàng)是有利的，例如，以允許即時(shí)傳輸預(yù)定的消息并確保最小的通信延遲，或者促成

具有大量預(yù)定流量的網(wǎng)絡(luò)鏈路上的最大帶寬使用率。

圖11-可搶占MAC與快速M(fèi)AC

如圖11所示，快速幀的MAC數(shù)據(jù)通道可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。

正在進(jìn)行的傳輸可以被中斷，報(bào)文按等級(jí)可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY。

3.3.3IEEE802.1Qcc系統(tǒng)配置

Qcc用于為TSN進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多個(gè)CUC(集中用戶配置)和1個(gè)CNC(集中網(wǎng)絡(luò)配置)構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時(shí)間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)到CNC，CNC計(jì)算TSN配置以滿足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一個(gè)用于OPC UA C/S，也會(huì)有其它用于應(yīng)用協(xié)議如安全。配置采用標(biāo)準(zhǔn)化的配置協(xié)議（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果單一設(shè)備則CUC和CNC并不牽扯協(xié)議。如果CUC和CNC是在分布式網(wǎng)絡(luò)，RESTCONF用于他們之間的通信協(xié)議。

圖12-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置的協(xié)議

圖12顯示了IEEE802.1Qcc的CNC與CUC的配置，對(duì)不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。

當(dāng)然了IEEE關(guān)于TSN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還包括其它，可以在IEEE官方網(wǎng)站獲得相關(guān)信息。

圖13-貝加萊2017年SPS展展出200 OPC UA TSN演示系統(tǒng)

圖13為2017年紐倫堡SPS展會(huì)上貝加萊展出的OPC UA TSN演示系統(tǒng)，針對(duì)200個(gè)I/O站、5個(gè)高清視頻，達(dá)到100μS的數(shù)據(jù)刷新能力。

4.OPC UA+TSN是構(gòu)成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

如果我們回到最初Internet被創(chuàng)建時(shí)的ISO/OSI七層協(xié)議模型，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在OPC UA與TSN構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，正是實(shí)現(xiàn)了這一“Internet”協(xié)議的七層結(jié)構(gòu)。

TSN解決的是數(shù)據(jù)鏈路層的問題，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層，但是，我們?nèi)タ碩SN的參考網(wǎng)絡(luò)以及機(jī)制可以看到它能支持到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)制的Network和Transport層的問題，而OPC UA則解決了Session會(huì)話層、Presentation表示層與Application應(yīng)用層的問題。

我們可以把OPC UA TSN理解為一個(gè)Internet的工業(yè)版協(xié)議族，就像當(dāng)年Internet被創(chuàng)建的時(shí)代一樣。

無論技術(shù)如何理解，但OPC UA與TSN對(duì)于未來的IT與OT融合奠定了基礎(chǔ)，使得過去人們對(duì)于IT與OT連接的各種障礙得以獲得一個(gè)清晰而可行的解決之道，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能分析等才能被實(shí)現(xiàn)。

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。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的Automation Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)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(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。