从工业生产需求来看通信的发展趋势
——访贝加莱工业自动化(中国)有限公司 技术传播经理宋华振
来源:贝加莱
工业生产早期是以人力/畜力/水力等方式进行传动,而控制也基本上都是人工的,感知和控制都是由人的大脑来完成的,到了维纳控制论和香农信息论奠定了现代控制与通信的基础,通过通信的“周期性”传输将物理对象的状态反馈给系统,然后去不断调整控制策略,这构成了整个现代控制的基础,那么通信就成了关键一环,在流程工业就有了计算机网络,但是这个网络还是主要在车间层而不是现场,现场层还是依赖于线缆的连接传输物理信号,而到了70年代有了总线,首先它就是为了降低接线和系统配置诊断的工程成本,这个阶段控制任务还是以主站为主,到了现场总线阶段 则可以实现分布式控制,从站具有了很强的本地执行能力,然后进行统一协调,到了实时以太网阶段,由于时间粒度已经降低到了微秒级,那么协同控制,即,主站和主站间、主站/从站间的通信瓶颈被消除了,网络协同控制才能成为可能,这个中间总线主要是在物理层和数据链路层,各家总线为了软件开发方便,也定义了各自的应用层标准,Microsoft也针对Windows系统与现场连接开发了OPC,包括流程领域FDT/DTM的规范,都是为了实现互操作层面的标准,工业总线在ISO/OSI模型中通常还是由三层或五层结构来实现,以考虑实时性问题,而到了近期,随着智能制造、物联网发展的需求,又需要解决车间、MES/ERP、数字孪生、人工智能、云平台等与现场连接的通信难题,即,周期性和非周期性能不能在一个网络里传输,又需要解决语义互操作的跨平台交互问题,这个时候,人们又回到当时以太网初期阶段,是否可以让标准以太网有实时性呢?就开始了TSN技术的开发,这一技术旨在借助于IT的广泛性降低网络实现成本,并由独立于任何厂商的IEEE/IEC来发展产业共同的通信规范与标准,在应用层,那么原有的OPC只能针对Windows就无法满足要求,推出了统一架构OPC UA,OPC UA不仅解决IT与OT的通信连接,还解决信息建模,这就为数字孪生、人工智能提供了模型,便于更为快速的实现优化应用,降低因此而需的工程集成成本。
因此,工业通信的发展是一个不断融合、简化,并以用户需求为导向的过程,满足工业更为简单的连接、更便利的工程集成、更为开放的诉求。
1 近两年贵公司在工业通讯行业中的突出创新有哪些?
答:在工业通信领域,显然贝加莱是积极的技术领先者,在90年代就已经在控制器中支持CAN总线,以及其他主流的现场总线,在最近两年,贝加莱主要聚焦于TSN技术与OPC UA融合的开发,在2015年IEEE成立时间敏感型网络的工作组时贝加莱即已参与了工作组,并在2019年9月在奥地利与TTTech、Rexroth、FESTO等公司共同发起了TSN的Kick-off会议,在2017年底的SPS展会就已经推出了工程样机构成的演示系统,并参与美国IIC、欧洲LNI的测试床,2018年汉诺威展也与华为一起参与了TSN联合测试床的发布,在2019年TSN的控制器(X20系列)、APC、TSN交换机就已经进入产品系列化阶段,2020年的Automation Studio 4.9版本将发布集成于其中的OPC UA over TSN的配置工具,当然,TSN产品也会接受来自第三方的软件工具配置,这个进度目前需要与IEEE/IEC 60802工作组共同推进,目前进行中。
2 安全问题在智能制造时代是工业通信需要重点关注的问题,其中包括制造与操作的功能安全与数据存储于处理的信息安全。在这两方面贵公司如何考虑?有何举措帮助用户?
答:是的,传统上,工业总线如之前POWERLINK由于是一种工业实时网络,它与IT的标准网络实际上是通过硬件实现隔离,包括调度机制的不同,因此,通常也很难出现安全性问题,当采用OPC UA over TSN后,就必须考虑安全性问题,首先OPC UA本身就有其自有的安全机制,然后我们也会在系统中支持IEC相关标准,这方面的开发已经会集成到整个Automation Studio的网络配置工具中,这是在产品与软件集成方面的工作。
另外一个方面,贝加莱基于我们本身的业务需要,为客户提供了一个称为SRM安全远程维护的方案,SRM即Secure Remote Maintenance,它采用加密的VPN技术,通过硬件上现场端SiteManager和云端连接,在云端会有GateManager来管理这些远程的设备的连接,并由客户端的LinkManager进行远程网络的服务操作,整个是一个加密的VPN,确保信息与数据的安全,目前这是我们主推的一个方案,主要针对客户的远程数据访问、程序上传下载的一些远程支持服务。
3 对于不同的企业,有其各自的通信技术具体需求,但其本质上是为了实现设备间的互联。众多工业通讯技术,贵公司如何以最佳匹配方案推荐给用户?
答:在通信支持能力方面,贝加莱有非常强的技术支持,这表现在几个方面:
(1).对主流的总线支持,贝加莱的控制系统如X20CPU本身自带标准以太网、POWERLINK、RS232,然后在每个CPU上可以插入的通信主站/从站模块包括Profibus/Profinet、DeviceNet、Ethernet/IP、CANopen、Modbus,然后从站有这些对应的还有诸如CC-Link、SERCOSIII等主流总线的支持,最大的CPU可以插入3个不同的总线模块,然后X20I/O模块一样的还有CAN、M-Bus等,因此,在贝加莱的控制器一个CPU即可实现3-10种不同的总线支持能力。
(2).在实时通信方面,贝加莱本身也自2001年即推出POWERLINK实时以太网,是最早投入应用的工业实时网络,POWERLINK目前是所有产品的标配,它本身具有100μS的实时能力。
(3).为了应对IT与OT的融合,贝加莱进一步升级通信技术,进入OPC UA over TSN,将OPC UA的信息建模、跨平台语义互操作、灵活通信与安全与TSN的实时性结合,整个服务未来工厂更为大的带宽、复杂数据流的需求,将周期与非周期性数据集成。
4 随着5G技术的不断发展,将产生多种实用高效的先进通讯整体解决方案,作为一种远程无线通信技术,您认为5G技术将如何促进智能制造的发展?贵公司未来是否会涉猎该项技术?
答:5G显然是一个热门技术,贝加莱也在积极的进行研究,当然,这需要一个过程,客观的来说,5G与TSN作为在物理传输方面分别代表无线和有线两个方面未来的关键技术,就个人理解,5G目前在工业来说主要以“Monitoring”的场景为主,而TSN会在“Control”方面,因为5G在工业应用还需要经过一些门槛,首先在性能诸如丢包率、延迟、实时性方面用于控制还尚显不足,还有,大家都知道,工业场景对于可靠性、抗干扰等方面也需要相关的认证,这些都是国际上包括IETF、IEEE、IEC等电信与工业领域的专家正在共同解决的问题,制定相关的标准,短期来说,5G在工业还有一些路要走,但是,未来它肯定会扮演一个重要的传输角色,相信5G和TSN会齐头并进。
5 智能制造时代突出了工业互联网的重要性,工业互联网在各制造领域的拓展也在不断创新,贵公司在此方面有何举措?
答:贝加莱是早期提出边缘计算的概念并在实际的应用中开始推进,边缘计算作为工业互联网的实现路径在工业具有很重要的意义,早在2016年,贝加莱即推出“OrangeBox”这个概念,它解决工业互联第一个问题,即“Brownfield”的问题,因为,你首先得把“老旧”工厂的设备也要连入系统,这个时候,自动化企业的I/O直接连接、各种总线支持能力、原有的软件应用如OEE计算、控制策略机理模型、数据呈现就得以发挥作用,再借助OPC UA可以被云端或边缘侧的平台所获取,当然,APROL本身也是一个数字化平台,它本身就是一个开放的平台,借助于工业人在现场数据采集、机理模型的优势,结合开放的数据库技术、Web技术,可以方便的搭建一个“IT”与“OT”融合的桥梁,因为贝加莱本身就是一个不断借助于IT技术来发展自动化的公司,这可以从我们的历史上,包括前面提到的实时以太网、Web技术(早在2000系列就已经集成了Web Server,FTP Server,而这是已经淘汰的产品线),因此,在这方面贝加莱一直处于领先,2018年我们还推出APM-资产性能管理器,通过现场设备的开放连接,可以直接通过OPC UA/MQTT与云端连接,到Ability平台,进行数据呈现、云端数据学习与分析,然后通过各种方式给予客户优化的预测、报警等。
6 其他您想谈的话题。
答:目前市场上工业互联网的声音很大,但是,很多并非是源于工业,工业的现场最大的问题是它的工艺复杂性、机理模型往往是通过大量的时间和测试验证积累的,工业互联网描述了一个美好前景,但是,它又不能躲过这个模型建立的过程,因此,如果希望发挥工业互联网的作用,必须从源头去对工业现场的对象、流程进行了解,才能将模型与数据驱动两者结合,各自发挥优势,即使是第一步连接,就目前来说都很难,这必须有效的宣贯标准,并制定实施战略指导,专业的人做专业的事情。否则,就会停留于概念而无法落地。
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