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盡管OICT融合已是產業(yè)共識，然而，真正推動它卻并非想象中簡單，而我們在討論智能制造的各種實現途徑，包括邊緣計算、大數據、工業(yè)互聯網、工業(yè)物聯網的時候，我們遇到的第一個問題實際上是連接問題，如果不解決這個問題則無法推進其它問題的實現。

1 IT與OT融合難度在哪里？

1.1 現場總線到實時以太網

圖1對于制造業(yè)現場的通信網絡進行了簡要的描述，相對于傳統的PLC集中式控制，現場總線為工業(yè)控制系統帶來了很多便利，通過統一的總線連接實現了分布式控制，并且通過總線使得接線變得更為簡單，而系統的配置、診斷的工作量因此也下降，因此，現場總線是為制造業(yè)現場帶來很多便利的技術，然而，各家公司都開發(fā)了自己的總線，在IEC的標準中也有多達20余種總線。總線本身是帶來便利的，但是，不同的總線又造成了新的壁壘，因為各家公司的業(yè)務聚焦、技術路線的不同，使得各個現場總線在物理介質、電平、帶寬、節(jié)點數、校驗方式、傳輸機制等多個維度都是不同的，因此造成了同一總線標準設備可以互聯，而不同總線設備則無法互聯。

圖1 OPC UA TSN技術的產生基礎原因

這也是因何實時以太網技術在21世紀初開始投入使用的原因，2001年貝加萊推出POWERLINK實時以太網是工業(yè)領域第一個實時以太網，而之后分別有PROFINET、Ethernet/IP、SERCOSIII、EtherCAT等各個實時以太網技術投入應用，相較于傳統總線實時以太網的好處在于物理介質、節(jié)點數、距離、帶寬、校驗、診斷都統一采用標準的IEEE802.3網絡，因此在這個層面上，大家實現了統一。

1.2 互連互通與互操作

但是，實時以太網只是解決了物理層與數據鏈路層的問題，對于應用層而言，仍然無法聯通。按照IEC的標準，通信連接分為互連、互通、互操作多個層級，各個實時以太網是基于原有的三層網絡架構（物理層、數據鏈路層、應用層），在應用層采用了諸如PROFIBUS、CANopen等協議，而這些協議又無法實現語義互操作。

簡單理解語義互操作就是“5+5”這樣的計算在自動化控制中，是物理的信號直接進行的處理，而對于IT網絡傳輸更多豐富的數據結構與類型時就會需要更多信息，如單位，“5英寸+5厘米”顯然是無法進行加法計算的，這個時候我們需要語義規(guī)范與標準，以便讓不同的系統之間認識到各自每個參數所表達的語義。

1.3 智能時代的工業(yè)通信

在前面我們討論的是在工業(yè)現場水平與垂直方向實現物理信號的采集與信息的傳輸，但是，到了智能制造時代，我們需要更為全局的數據采集、傳輸、計算與分析、優(yōu)化，進而實現制造的高效協同，提升整個生產效率。

圖2簡要描述了這一場景，從工廠到供應鏈的各個環(huán)節(jié)都需要數據的連接，那么這個時候，IT與OT的融合會遇到如下復雜性：

圖2 工業(yè)物聯網的應用場景

（1）總線的復雜性帶來的障礙

總線的復雜性不僅為制造現場帶來復雜性，也同樣為IT訪問OT帶來了巨大的障礙，因為為了不同的數據訪問就得寫不同的網絡驅動程序，對于老的工廠采用的不同的物理介質的現場總線還需要配置額外的網絡適配模塊，然后就是在軟件層面的驅動程序，即使采用實時以太網，語義仍然需要編寫不同的接口程序，而豐富的現場總線與應用層組合出成千上萬種可能，這使得IT為了配置網絡、數據采集與連接、數據預處理等工作花費巨大，導致實現這件工作缺乏經濟性，這是技術推進難的首要障礙，如果無法經濟地實施項目，那么就沒有投入的必要。

（2）周期性與非周期性數據的傳輸

IT與OT數據的不同也對于網絡需求產生差異，這使得往往采用不同的機制，對于OT而言，其控制任務是周期性的，因此采用的是周期性網絡，多數采用輪詢機制，由主站對從站分配時間片的模式，而IT數據往往是非周期性的，由于標準以太網無法滿足周期性的確定性傳輸以及微秒級的實時性，才開發(fā)了POWERLINK、PROFINET等基于以太網的協議，然而，這些都無法在一個網絡里傳輸兩種不同的數據。

（3）實時性的差異

由于實時性的需求不同，也使得IT與OT網絡存在差異，對于微秒級的運動控制任務而言，要求網絡必須要實現非常低的延時與抖動，而對于IT網絡則往往對實時性沒有特別的要求，但對數據負載有著要求。

2 OPC UA TSN的角色

圖3描述了OPC UATSN在整個ISO-OSI模型中所處的位置，我們可以看到，OPC UA主要解決在應用層的問題，而TSN實質上是處于數據鏈路層。

圖3 OPC UA和TSN在ISO-OSI模型中所處的位置

相對而言，OPCUA出現得更早一些，因此，我們先介紹OPCUA的角色與意義，再談TSN。

2.1 OPC UA的角色與意義

（1）OPCUA的角色

OPC UA扮演的角色主要基于下面的問題，在IEC關于互聯技術報告中提到互聯、互通、語義互操作多個層面的問題（圖4中的不兼容、共存不考慮，互換目前無法做到），而OPCＵＡ主要解決在語義互操作的問題上。

圖４ IEC技術報告關于通信互聯的層級定義

（2）OPCUA的核心問題——信息模型

圖5 OPC UA的架構

OPC UA具有多種推動因素，包括非盈利組織、IEC標準、安全性。對于智能制造而言，多個設備之間的協同（M2M）以及業(yè)務管理系統與產線的協同（B2M）、業(yè)務單元間的數據（B2B）都需要OPC UA的協同。

圖6是一個針對塑料行業(yè)的信息模型—采用OPCUA標準與規(guī)范開發(fā)的，應用于注塑機與輔機、注塑機與MES系統之間的信息交互，而同樣，OPC UA基金會與OMAC/PackML（針對包裝工業(yè)的垂直行業(yè)信息模型），MTConnect（針對機床工具）、AutomationML（針對汽車工業(yè)）、BacNet（針對樓宇）、ISA（針對MES系統），以及各個現場總線基金會組織如PI、EPSG、ETG等合作，使得OPC UA成為共同支持的語義互操作層面的規(guī)范與標準。

圖6 采用OPC UA標準與規(guī)范開發(fā)的針對塑料行業(yè)的信息模模型

而圖7則是Industry4.0中AdministrationShell的定義采用OPCUA進行描述的示例。

圖7 基于OPC UA的管理殼設計

由此，我們可以看到，OPC UA在整個OICT融合中扮演了非常重要的角色，而由于OPC UA基金會的公益性、IEC62451標準等原因，使得OPC UA獲得了全球最主要的自動化廠商的支持，目前OPC UA基金會是最為活躍，會員規(guī)模達到4000多家廠商的全球性標準化組織。

2.2 TSN與TSN的角色

相對而言，TSN技術才剛剛開始進入產業(yè)視野，但是，TSN技術并非是最近幾年才有，最初它是被應用于音頻/視頻同步的場景，而之后隨著汽車工業(yè)中無人駕駛/輔助駕駛技術的需要，TSN也被納入了開發(fā)中，而在2012年原有的IEEE802.1Q成立針對工業(yè)互聯網的實時性工作組，稱為IEEE802.1TSN。

TSN應用于解決之前我們在第一節(jié)所談到的話題：周期性數據與非周期性數據的傳輸問題，實時與非實時數據的傳輸問題，原有的標準以太網IEEE802.3沒有確定性，因此才開發(fā)了各種實時以太網，而今天，采用TSN使得標準以太網具有傳輸實時性數據的能力，并且，讓周期與非周期性數據在同一網絡中傳輸，這樣會大大簡化整個智能集成的工作量，并且變得更為簡單。

圖8 TSN網絡參考

圖8是TSN網絡參考，與其它網絡一樣，由IEEE802.1ASRev來定義精確的時鐘同步，然后采用數據隊列的方式進行數據的組織，而不同在于IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br采用搶占式MAC的方式來對高實時性數據進行傳輸，而IEEE802.1Qbv則采用Time Aware Shaper —為高實時數據提供專用的時間通道，而對其他非實時則采用BestEffort的方式進行傳輸。

TSN是由一系列技術標準所構成，表1則列出與工業(yè)相關的標準、應用領域與名稱：

表1 TSN相關子標準

IEEE802.1Qcc則是針對網絡與用戶配置的標準，由圖9可以看到分為集中式用戶配置與網絡配置，可以對Qbu、Qbv、QCB等多種機制下的網絡進行配置。

圖9 基于IEEE802.1Qcc的網絡配置

可以看到TSN實際上是為了實現異構數據交互、實時與非實時數據在同一通道中傳輸而開發(fā)的新的數據鏈路層標準。

由于工業(yè)互聯網的需求不斷增長，智能制造的推進，OPCUA和TSN技術將變得更為迫切與關鍵。

3 OPC UA TSN架構了未來智能制造網絡

在第二節(jié)單獨對OPCUA和TSN進行了介紹，而正如圖1所示，未來，這兩個標準將共同為制造業(yè)帶來互聯的基礎。

3.1 工業(yè)互聯網的實現基礎

圖10顯示了OPC UATSN在整個OSI模型中的位置，但是，實際上并非這么簡單，我們可以從OPC UA的機制中看到，實際上OPC UA包括會話、連接已經將會話層與表示層進行了覆蓋，而TSN雖然同樣僅指數據鏈路層，但其網絡的機制與配置管理可以理解為1~4層的覆蓋。

圖10 OPC UA TSN的網絡架構

如果這樣來理解OPC UA TSN，我們就會發(fā)現，實際上OPCUA和TSN貫穿了整個OSI七層模型，使得通過統一標準與規(guī)范實現了一個真正的“工業(yè)互聯網”—IndustrialInternet。

圖11 基于OPC UA TSN的未來工業(yè)通信架構

圖11則是整個基于OPC UATSN的工業(yè)互聯網架構，我們可以看到，通過OPCUA在水平方向的不同品牌的控制器的設備可以被集成，而在垂直方向設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、驅動器之間的物理信息傳輸，OPCUA即可實現與傳統的實時以太網結合構成數據的多個維度集成，在未來也可以通過TSN與OPCUA的集成實現全新的制造現場網絡集成。

4 OPC UA TSN技術進展

4.1 OPC UA  TSN的標準化進程

OPC UA已經成為IEC標準，并在2017年成為中國國家推薦性標準，在2018年發(fā)布了基于Pub/Sub的機制作為OPC UA的補充機制，在Part 13部分由IEC發(fā)布。

TSN目前由IEEE標準組織進行標準的制定工作，目前已經完成的狀態(tài)如圖12所示。TSN標準進程已經完成的包括IEEE802.1Qbv、Qca，圖12為2017年的狀態(tài)。

圖12  TSN目前標準進展

4.2 產業(yè)推進

目前OPC UA和TSN的進展處于研發(fā)階段的多，公開發(fā)布產品的較少，2016年德國SPS展上，貝加萊發(fā)布了基于OPC UA TSN的測試系統，如圖13，在該系統中，由200個I/O節(jié)點和5個高清視頻所構成的OPC UA TSN網絡，對數據進行一次刷新的響應達到100μS。

 圖13  基于OPC UA TSN的測試單元

2018年漢諾威工業(yè)博覽會上，包括SIEMENS等眾多廠商也開始發(fā)布TSN產品。

4.3　測試與驗證平臺

在2018漢諾威工業(yè)博覽會上，邊緣計算產業(yè)聯盟（ECC）、工業(yè)互聯網產業(yè)聯盟（AII）、Avnu聯盟、Fraunhofer FOKUS、華為、貝加萊（B&R）、施耐德電氣、和利時、美國國家儀器（NI）、TTTech、思博倫通信（Spirent Communications）等超過20家國際組織和業(yè)界知名廠商，聯合發(fā)布包含六大工業(yè)互聯場景的TSN+OPC UA智能制造測試床。這代表著IT與OT融合的最新推進，也是OPC UA TSN進入實質階段的里程碑。

 圖14  2018年漢諾威展TSN-OPC UA測試床發(fā)布

5 總結

OPC UA與TSN代表了未來工業(yè)互聯網的技術趨勢，也代表著OICT融合的實現道路，本文主要從OT的視角來理解OPC UA和TSN，對于IT端的應用而言，OPC UA TSN提供了訪問的便利，然后才能進而產生業(yè)務模式的創(chuàng)新，基于邊緣計算的產業(yè)應用場景，基于云連接的智能優(yōu)化，以及產業(yè)業(yè)務模式的轉變，真正實現數字化轉型。

作者簡介：

宋華振（1972-），男，工程師，現任貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司市場部經理，多年從事工業(yè)自動化系統的開發(fā)和實施工作，現主要從事市場營銷策劃和市場分析工作。

摘自《自動化博覽》2018年7月刊