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OPC UA TSN:不得不關(guān)注的智能制造通信全架構(gòu)

2019-02-26 15:28
來源: 貝加萊

今天的形勢

當(dāng)我們討論工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的時(shí)候,它的基礎(chǔ)是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同而實(shí)現(xiàn)的,傳統(tǒng)的IT主要對于高帶寬的需求,而OT則強(qiáng)調(diào)其低延時(shí),盡管物理的介質(zhì)、互聯(lián)的接口都已經(jīng)有了,而在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接中的“語義互操作”問題卻沒有統(tǒng)一而一致的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1反映了以下這些問題:缺乏可連接性,主要表現(xiàn)在語義互操作的接口標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范問題方面;而IoT的挑戰(zhàn)則在于高帶寬與低延時(shí)在新的工業(yè)場景中同時(shí)出現(xiàn)――傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場主要基于“等時(shí)同步”的控制循環(huán),其需要低延遲的確定性網(wǎng)絡(luò),而當(dāng)前如視覺、振動等應(yīng)用則需要同時(shí)具備高帶寬和低延時(shí)特性。至于邊緣計(jì)算則需要大量的數(shù)據(jù)傳輸和智能分析。隨著AR/VR和機(jī)器視覺的更為廣泛的應(yīng)用,這些問題將比以往更加突出。

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圖1-工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

OPC UA TSN的角色

這也是OPC UA TSN在過去幾年里一直變得非常流行的原因,OPC UA和TSN共同用于解決我們所面臨的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)難題。

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圖2-OPC UA和TSN的角色定位

OPC UA主要解決“安全的語義互操作”,OPC UA確保異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能夠按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來定義,這樣,它主要聚焦在ISO/OSI模型的應(yīng)用、會話、表示三個層面,建立連接、用統(tǒng)一的信息模型規(guī)范來表達(dá)應(yīng)用場景中的“設(shè)備行規(guī)”。

TSN則解決“實(shí)時(shí)”與“非實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)的同一網(wǎng)絡(luò)傳輸問題,它在ISO/OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層,TSN由一系列的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,主要是解決時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)配置的問題。

信息模型

事實(shí)上,OPC UA比我們想象的更為強(qiáng)大,它要解決的問題包括了連接、安全、信息模型多個層次的問題,圖3是整個OPC UA的結(jié)構(gòu),我們可以看到它支持幾個方面的問題:

(1)連接問題:對于C/S架構(gòu)的,包括支持TCP,WebSocket/http的傳輸機(jī)制,另外也開發(fā)了針對Pub/Sub機(jī)制的連接,包括最新的架構(gòu)中對于MQTT/AMQP方面的支持,這使得通過OPC UA即可方便的與云端應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行連接,而且更低的流量消耗。

(2)信息模型:是構(gòu)成OPC UA的核心,它指為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同所需的信息模型,包括了基礎(chǔ)元模型(DA,HA,AC,程序),以及伴隨信息模型,或稱為行業(yè)信息模型,如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等。

(3)安全的傳輸機(jī)制,在整個C/S或Pub/Sub、信息模型的傳輸過程中,都包括了安全的連接建立、數(shù)據(jù)加密機(jī)制,這些依賴于信息安全標(biāo)準(zhǔn)的集成。

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圖3-OPC UA模型

OPC UA對于整個工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)都至關(guān)重要,除了在設(shè)備、產(chǎn)線層的控制任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸,OPC UA還能負(fù)責(zé)在運(yùn)營管理層的數(shù)據(jù)交互,這些在工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)中,如圖4均有定義,而OPC UA在系統(tǒng)的配置、管理認(rèn)證、建模等均有應(yīng)用空間,即,通過OPC UA實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互-水平方向,以及垂直方向從傳感器到云端的連接,也包括端到端的連接,即不同業(yè)務(wù)單元如供應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)營維護(hù)的數(shù)據(jù)連接。

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圖4-OPC UA在整個工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)中的角色

因此,我們可以看到,OPC UA對于實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、IIoT的傳輸至關(guān)重要,無所不在的傳輸才能奠定整個數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)。

TSN-熱度最大的通信技術(shù)

TSN并非今天才有,而是最早在音視頻領(lǐng)域,包括現(xiàn)在在航空航天、軌道交通、汽車等領(lǐng)域都已經(jīng)開始了TSN的研發(fā)與應(yīng)用,工業(yè)領(lǐng)域是2015年的TSN工作組成立為起點(diǎn),事實(shí)上,TSN是由一系列的IEEE標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,圖5來自IEEE官方關(guān)于TSN標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成,它包括了以下幾個方面的標(biāo)準(zhǔn):

(1)時(shí)鐘同步:基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev,采用廣義精確時(shí)鐘同步技術(shù),對網(wǎng)絡(luò)的延遲進(jìn)行測量和計(jì)算,并確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呔葧r(shí)間基準(zhǔn)。

(2)整形器設(shè)計(jì):為不同的應(yīng)用場景定義了不同的“shaper”(整形器),如為IEEE802.1Qav采用了基于信用的整形器(Credit-BasedShaper),為工業(yè)實(shí)時(shí)場景的IEEE802.1Qbv采用TAS(Time AwarenessShaper),以及搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的組合,其它還包括為異步數(shù)據(jù)流所定義的ATS(基于IEEE802.1Qcr)。

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圖5-TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

(3)可靠性標(biāo)準(zhǔn):IEEE802.1Q工作組還定義了IEEE802.1CB的幀復(fù)制與消除標(biāo)準(zhǔn),以及IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報(bào)錯標(biāo)準(zhǔn)。

(4)資源管理:包括流預(yù)留協(xié)議(Stream Reservation Protocol)的IEEE802.1Qat,用于配置用戶和網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)的流預(yù)留協(xié)議IEEE802.1Qcc,以及基本YANG模式的802.1Qcp和為Qbv,Qub,Qci所用的YANG標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1PQcw(尚在制定中的標(biāo)準(zhǔn))。

走在OPC UA TSN的前沿

全球主要廠商聚焦OPC UA規(guī)范。在2018年SPS上OPC UA基金會組織了媒體會議,共同推動OPC UA over TSN的技術(shù)推動與實(shí)現(xiàn),由全球核心的OICT廠商ABB、華為、SIEMENS、貝加萊、博世力士樂、施耐德等主要的廠商均加入其中。

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圖6-2018年SPS全球主要的OICT廠商共同支持OPC UA工業(yè)互操作標(biāo)準(zhǔn)

貝加萊作為整形器的主要參與者

TSN的系列標(biāo)準(zhǔn)主要差別在于數(shù)據(jù)流管理的“整形器”Shpaer方面的制定,這些貝加萊也作為積極的參與者,自2015年成立工作組即積極參與其中,并與TTTech、華為等公司一起開發(fā)TSN產(chǎn)品、交換機(jī)、測試與驗(yàn)證系統(tǒng),并積極參與工作組的會議,發(fā)揮自身在工業(yè)領(lǐng)域豐富的應(yīng)用與研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

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圖7-貝加萊積極參與TSN的整形器標(biāo)準(zhǔn)制定工作

2016年在維也納由TTTech和貝加萊共同組織了TSN整形器工作組啟動會議,此次會議定義該工作組旨在“定位于滿足在傳感器、執(zhí)行器、控制器以及云端所有工業(yè)自動化場景需求的開放、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信方案”

作為最早將TSN產(chǎn)品發(fā)布的公司,在2017的SPS上,貝加萊首先展出了OPC UA TSN的產(chǎn)品演示系統(tǒng),由200個I/O站、5個高清攝像頭共同、1個工業(yè)PC、2臺交換機(jī)共同構(gòu)成的系統(tǒng),測試其響應(yīng)達(dá)到100μS,成為了2017年SPS的亮點(diǎn)。

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圖8-貝加萊在2018年SPS展會上的OPC UA TSN系統(tǒng)

圖8是2018年貝加萊在德國SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。

場景應(yīng)用

OPC UA典型應(yīng)用

看上去OPC UA和TSN僅是一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,那么,它在實(shí)際的應(yīng)用中如何呈現(xiàn)呢?這里我們僅拿幾個簡單的例子予以說明-因?yàn)镺PC UA TSN的應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛遠(yuǎn)非我們想象。

1.mappVIEW

可能你沒有想到,對于HMI的設(shè)計(jì)居然也有OPC UA的事,是的,在貝加萊的mappVIEW中就采用了OPC UA作為“中間服務(wù)器”,傳統(tǒng)的HMI和控制器之間有緊密的綁定關(guān)系,因此,程序的修改會導(dǎo)致HMI畫面的修改,而HMI修改也會導(dǎo)致程序的修改,有了OPC UA做中間隔離后,就可以實(shí)現(xiàn)程序與HMI的獨(dú)立(軟件工程稱為“關(guān)注點(diǎn)分離”-SeparteofConcern),這樣可以實(shí)現(xiàn)模塊化的軟件設(shè)計(jì)。

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圖9-基于OPC UA實(shí)現(xiàn)的mappVIEW

由于OPC UA支持“角色”,這使得針對不同的用戶(總經(jīng)理、電氣經(jīng)理、操作人員)有不同的訪問數(shù)據(jù)的權(quán)限,而這些僅簡單配置即可,而無需以前復(fù)雜的編程。

事實(shí)上,與傳統(tǒng)嵌入式HMI的開發(fā)不同,基于OPC UA本身的http,WebService,可以開發(fā)基于Web技術(shù)的畫面,包括自適應(yīng)能力、多點(diǎn)觸摸能力、表格、曲線的繪制都會變得簡單。

mappVIEW精彩的HMI設(shè)計(jì)即基于OPC UA本身的SoA,服務(wù)器架構(gòu)。

2.Euromap

垂直行業(yè)信息模型是另一個OPC UA的關(guān)鍵,對于不同行業(yè),其所需要的數(shù)據(jù)傳輸、信息模型是不同的,如在塑料行業(yè),模具、機(jī)械手、模腔溫度、壓力等參數(shù)是必須的,而在制藥行業(yè)審計(jì)追蹤是必要的,在機(jī)床行業(yè)主軸轉(zhuǎn)速是必要的,這些行業(yè)的差異使得對信息的構(gòu)建也不同。

信息模型會簡化行業(yè)工程應(yīng)用所消耗的時(shí)間,而無需復(fù)雜編程,通過簡單的模型調(diào)用即可獲得相關(guān)的參數(shù),圖10即顯示了塑料行業(yè)的信息模型。

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圖10-Euromap垂直行業(yè)信息模型也集成到OPC UA規(guī)范中

3.OPC UA TSN開拓了IIoT應(yīng)用

在今天,我們探討工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的時(shí)代卻遇到非常多的困難,因?yàn)樽钪苯拥睦щy在于現(xiàn)場有非常豐富的現(xiàn)場總線和各種應(yīng)用協(xié)議,這些導(dǎo)致了IT對現(xiàn)場的訪問必須編寫非常多的驅(qū)動程序和增加額外的設(shè)備,而OPC UA TSN解決了這些問題,就像圖11所示,在貝加萊的系統(tǒng)中,通過OPC UA TSN,即可以在一個傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)域中保持原有的應(yīng)用,并可以通過帶有OPC UA TSN接口的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兼容性通信,也可以與第三方網(wǎng)絡(luò)通過OPC UA TSN實(shí)現(xiàn)通信,消除了在橫向集成中的網(wǎng)絡(luò)障礙。

對于云端應(yīng)用同樣如此,由于OPC UA TSN實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的語義互操作,不僅在橫向,在縱向、端對端的交互中同樣扮演關(guān)鍵角色,而TSN則將延遲更低、帶寬更高的視覺、AR/VR等也能夠同時(shí)傳輸。

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圖11-基于OPC UA TSN的架構(gòu)

OPC UA TSN解決了傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場的傳輸復(fù)雜性問題,而使得IIoT、智能制造推進(jìn)中的OICT融合得以完美實(shí)現(xiàn)。

因此,我們可以知道OPC UA TSN對智能制造、IIoT何其重要。

欲了解貝加萊在OPC UA TSN的最新技術(shù)進(jìn)展和應(yīng)用,請?jiān)L問貝加萊深圳機(jī)械展展臺。

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