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OPC UA TSN——不得不关注的智能制造通信全架构

时间:2019-02-26来源:贝加莱工业自动化(中国)有限公司

导语:今天例如视觉、振动等应用需要高带宽和低延时同时具有,而边缘计算则需要大量的数据传输和智能分析,而随着AR/VR、机器视觉的更广泛应用,这些问题将比以往更为突出。

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反映了这些问题,主要表现在语义互操作的接口标准与规范问题,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是基于“等时同步”的控制循环需要低延迟的确定性网络,而今天例如视觉、振动等应用需要高带宽和低延时同时具有,而边缘计算则需要大量的数据传输和智能分析,而随着AR/VR、机器视觉的更广泛应用,这些问题将比以往更为突出。

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。

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。

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。

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。

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-Based Shaper),为工业实时场景的IEEE802.1Qbv采用TAS(Time Awareness Shaper),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)。

(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)。

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。

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。

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是2018年贝加莱在德国SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。

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。

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”-Separte of Concern),这样可以实现模块化的软件设计。

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。

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。

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。

因此,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。

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