OPC UA TSN-不得不关注的智能制造通信全架构
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今天的形势
当我们讨论工业物联网、智能制造的时候，它的基础是基于网络协同而实现的，传统的IT主要对于高带宽的需求，而OT则强调其低延时，尽管物理的介质、互联的接口都已经有了，而在异构网络连接中的“语义互操作”问题却没有统一而一致的标准。
图1反映了以下这些问题：缺乏可连接性，主要表现在语义互操作的接口标准与规范问题方面；而IoT的挑战则在于高带宽与低延时在新的工业场景中同时出现――传统的工业现场主要基于“等时同步”的控制循环，其需要低延迟的确定性网络，而当前如视觉、振动等应用则需要同时具备高带宽和低延时特性。至于边缘计算则需要大量的数据传输和智能分析。随着AR/VR和机器视觉的更为广泛的应用，这些问题将比以往更加突出。
图1-工业物联网面临的挑战
OPC UA TSN的角色
这也是OPC UA TSN在过去几年里一直变得非常流行的原因，OPC UA和TSN共同用于解决我们所面临的产业互联难题。
图2-OPC UA和TSN的角色定位
OPC UA主要解决“安全的语义互操作”，OPC UA确保异构网络中的数据能够按照统一的标准来定义，这样，它主要聚焦在ISO/OSI模型的应用、会话、表示三个层面，建立连接、用统一的信息模型规范来表达应用场景中的“设备行规”。
TSN则解决“实时”与“非实时”数据的同一网络传输问题，它在ISO/OSI模型的数据链路层，TSN由一系列的标准构成，主要是解决时钟同步、数据调度、网络配置的问题。
信息模型
事实上，OPC UA比我们想象的更为强大，它要解决的问题包括了连接、安全、信息模型多个层次的问题，图3是整个OPC UA的结构，我们可以看到它支持几个方面的问题：
（1）连接问题：对于C/S架构的，包括支持TCP,WebSocket/http的传输机制，另外也开发了针对Pub/Sub机制的连接，包括最新的架构中对于MQTT/AMQP方面的支持，这使得通过OPC UA即可方便的与云端应用系统进行连接，而且更低的流量消耗。
（2）信息模型：是构成OPC UA的核心，它指为了实现协同所需的信息模型，包括了基础元模型（DA,HA,AC,程序），以及伴随信息模型，或称为行业信息模型，如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等。
（3）安全的传输机制，在整个C/S或Pub/Sub、信息模型的传输过程中，都包括了安全的连接建立、数据加密机制，这些依赖于信息安全标准的集成。
图3-OPC UA模型
OPC UA对于整个工业4.0的实现都至关重要，除了在设备、产线层的控制任务数据传输，OPC UA还能负责在运营管理层的数据交互，这些在工业4.0的实现中，如图4均有定义，而OPC UA在系统的配置、管理认证、建模等均有应用空间，即，通过OPC UA实现对业务数据的交互—水平方向，以及垂直方向从传感器到云端的连接，也包括端到端的连接，即不同业务单元如供应链的设计、生产制造、运营维护的数据连接。
图4-OPC UA在整个工业4.0实现中的角色
因此，我们可以看到，OPC UA对于实现工业4.0、IIoT的传输至关重要，无所不在的传输才能奠定整个数字化、信息化的基础。
TSN-热度最大的通信技术
TSN并非今天才有，而是最早在音视频领域，包括现在在航空航天、轨道交通、汽车等领域都已经开始了TSN的研发与应用，工业领域是2015年的TSN工作组成立为起点，事实上，TSN是由一系列的IEEE标准构成，图5来自IEEE官方关于TSN标准的构成，它包括了以下几个方面的标准：
（1）时钟同步：基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev，采用广义精确时钟同步技术，对网络的延迟进行测量和计算，并确保数据传输的高精度时间基准。
（2）整形器设计：为不同的应用场景定义了不同的“shaper”（整形器），如为IEEE802.1Qav采用了基于信用的整形器（Credit-BasedShaper），为工业实时场景的IEEE802.1Qbv采用TAS（Time AwarenessShaper），以及抢占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的组合，其它还包括为异步数据流所定义的ATS（基于IEEE802.1Qcr）。
图5-TSN相关标准（Source:http://www.ieee.org）
（3）可靠性标准：IEEE802.1Q工作组还定义了IEEE802.1CB的帧复制与消除标准，以及IEEE802.1Qci帧检测过滤与报错标准。
（4）资源管理：包括流预留协议（Stream Reservation Protocol）的IEEE802.1Qat，用于配置用户和网络的增强的流预留协议IEEE802.1Qcc，以及基本YANG模式的802.1Qcp和为Qbv,Qub,Qci所用的YANG标准IEEE802.1PQcw（尚在制定中的标准）。
走在OPC UA TSN的前沿
全球主要厂商聚焦OPC UA规范。在2018年SPS上OPC UA基金会组织了媒体会议，共同推动OPC UA over TSN的技术推动与实现，由全球核心的OICT厂商ABB、华为、SIEMENS、贝加莱、博世力士乐、施耐德等主要的厂商均加入其中。
图6-2018年SPS全球主要的OICT厂商共同支持OPC UA工业互操作标准
贝加莱作为整形器的主要参与者
TSN的系列标准主要差别在于数据流管理的“整形器”Shpaer方面的制定，这些贝加莱也作为积极的参与者，自2015年成立工作组即积极参与其中，并与TTTech、华为等公司一起开发TSN产品、交换机、测试与验证系统，并积极参与工作组的会议，发挥自身在工业领域丰富的应用与研发经验。
图7-贝加莱积极参与TSN的整形器标准制定工作
2016年在维也纳由TTTech和贝加莱共同组织了TSN整形器工作组启动会议，此次会议定义该工作组旨在“定位于满足在传感器、执行器、控制器以及云端所有工业自动化场景需求的开放、统一、标准的工业物联网通信方案”
作为最早将TSN产品发布的公司，在2017的SPS上，贝加莱首先展出了OPC UA TSN的产品演示系统，由200个I/O站、5个高清摄像头共同、1个工业PC、2台交换机共同构成的系统，测试其响应达到100μS，成为了2017年SPS的亮点。
图8-贝加莱在2018年SPS展会上的OPC UA TSN系统
图8是2018年贝加莱在德国SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。
场景应用
OPC UA典型应用
看上去OPC UA和TSN仅是一些技术标准与规范，那么，它在实际的应用中如何呈现呢？这里我们仅拿几个简单的例子予以说明—因为OPC UA TSN的应用领域之广泛远非我们想象。
1.mappVIEW
可能你没有想到，对于HMI的设计居然也有OPC UA的事，是的，在贝加莱的mappVIEW中就采用了OPC UA作为“中间服务器”，传统的HMI和控制器之间有紧密的绑定关系，因此，程序的修改会导致HMI画面的修改，而HMI修改也会导致程序的修改，有了OPC UA做中间隔离后，就可以实现程序与HMI的独立（软件工程称为“关注点分离”-SeparteofConcern），这样可以实现模块化的软件设计。
图9-基于OPC UA实现的mappVIEW
由于OPC UA支持“角色”，这使得针对不同的用户（总经理、电气经理、操作人员）有不同的访问数据的权限，而这些仅简单配置即可，而无需以前复杂的编程。
事实上，与传统嵌入式HMI的开发不同，基于OPC UA本身的http,WebService，可以开发基于Web技术的画面，包括自适应能力、多点触摸能力、表格、曲线的绘制都会变得简单。
mappVIEW精彩的HMI设计即基于OPC UA本身的SoA，服务器架构。
2.Euromap
垂直行业信息模型是另一个OPC UA的关键，对于不同行业，其所需要的数据传输、信息模型是不同的，如在塑料行业，模具、机械手、模腔温度、压力等参数是必须的，而在制药行业审计追踪是必要的，在机床行业主轴转速是必要的，这些行业的差异使得对信息的构建也不同。
信息模型会简化行业工程应用所消耗的时间，而无需复杂编程，通过简单的模型调用即可获得相关的参数，图10即显示了塑料行业的信息模型。
图10-Euromap垂直行业信息模型也集成到OPC UA规范中
3.OPC UA TSN开拓了IIoT应用
在今天，我们探讨工业物联网（IIoT）的时代却遇到非常多的困难，因为最直接的困难在于现场有非常丰富的现场总线和各种应用协议，这些导致了IT对现场的访问必须编写非常多的驱动程序和增加额外的设备，而OPC UA TSN解决了这些问题，就像图11所示，在贝加莱的系统中，通过OPC UA TSN，即可以在一个传统的实时网络域中保持原有的应用，并可以通过带有OPC UA TSN接口的网络实现兼容性通信，也可以与第三方网络通过OPC UA TSN实现通信，消除了在横向集成中的网络障碍。
对于云端应用同样如此，由于OPC UA TSN实现了异构网络中的语义互操作，不仅在横向，在纵向、端对端的交互中同样扮演关键角色，而TSN则将延迟更低、带宽更高的视觉、AR/VR等也能够同时传输。
图11-基于OPC UA TSN的架构
OPC UA TSN解决了传统工业现场的传输复杂性问题，而使得IIoT、智能制造推进中的OICT融合得以完美实现。
因此，我们可以知道OPC UA TSN对智能制造、IIoT何其重要。
欲了解贝加莱在OPC UA TSN的最新技术进展和应用，请访问贝加莱深圳机械展展台。
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