以下文章来源于说东道西 ,作者宋华振
尽管数字化转型的浪潮如此深入人心,但是,对于OPC UA和TSN的了解却又甚少,这难免让人质疑其可实现性,因为,如果缺乏统一的语义互操作规范,以及更为具有广泛适用的网络与通信,则数字化实际上几乎难以具有经济性与可实现性的。
图1呈现了三个不同阶段制造现场对通信的需求,首先,回到20年前,我们看工业通信技术,即,现场总线主要还是降低接线、并能够对现场进行远程诊断与配置,到了新世纪,机器也变得越来越复杂,运动控制这种时间严苛型任务变得越来越多,一方面精度要求越来越高,需要更低延时的网络来保障,还有大量伺服轴也要为机器提供更为高效的同步,无论是带宽还是延时、抖动的要求都更高。
进入了智能时代,为了进一步提高生产制造的效率,机器被合并或通过机器人实现衔接,这个时候就出现了在水平方向与垂直方向的数据连接问题,水平交互为了消除中间环节,提升效率,而垂直的通信主要为了能够从局部最优到全局最优,这就使得数据的带宽、互操作、信息建模变得更为迫切,这就需要一个能够融合语义与实时同时兼具,并能够传输各种数据类型(视频、视觉、文本、实时参数等),因此,通信任务的复杂性也是越来越高,必须要有高效的传输架构来支撑。
图1-不同阶段网络需求的变化
OPC UA在这里扮演的角色在于说相同的语言问题,而TSN要解决同声翻译的问题,OPC UA扮演三个角色,首先,它必须对已有的通信予以支持,这包括现场总线,也包括了对TCP/UDP方式的支持,其实,这个任务MQTT、DDS也是可以实现的,因此,OPC UA另一个任务,信息建模成为其被多数厂商采用的关键,除了基础的信息建模,针对行业性的信息建模如PackML、EUROMAP、ISA、AutomationML等也予以了集成,其次,在数字化集成的时候,安全(Security)也是必须予以考虑的。TSN则是一种较之以往的现场总线更突出的通信技术,它由三个部分的标准构成,IEEE802.1Q系列的标准下,包括了IEEE802.1AS/ASrev的时钟同步、数据流调度标准如IEEE802.1Qbv,Qbu IEEE802.3br,IEEE802.1Qch等数据流调度机制构成,其次,IEEE802.1Qcc则负责进行网络的配置,将需求与能力协同,而TSN相对于传统总线在于其模块化实现,不同领域可以集成自己的应用,如IEEE802.1AVB针对车载以太网,而IEC60802 IA Profile则是针对自动化领域的互操作,其结构如图2所示。
图2-TSN的标准体系
无论对于什么样的数字化连接,无论是M2M,即OPC基金会所说的C2C(Controller to Controller)之间的集成,也包括了B2M(Businessto Machine),也即,数据的上下行交互,而B2B则是端到端的集成(数字化设计、运营、维护系统之间的集成)。
若没有统一的规范,并非不可集成,而是要编写大量的驱动程序,这就会使得其缺乏经济性,因为如果没有统一的规范,各种平台之间如果自定义各自的协议,要么仅在局部项目上可以实现,不具有可复 制性,变成了一个个新的信息孤岛,因此,如果没有统一规范,那么,就会形成新的孤岛,这不是一种进步,而是倒退。
今天,工业互联网由各个行业的企业在构建各种不同的平台架构,但是,目前阶段大部分的这种应用场景还是一种“劳动密集型”的应用,其仍然需要大量的工程资源消耗,关键就在于缺乏统一规范的信息模型,这使得很难具有可复 制性,而没有可复 制性,其工程成本就会很高,而无法获得经济性,这会导致大量的工业互联网企业很难持续生存,借助于资本的力量,但仍然会是大部分会在未来几年消亡。
OPCUA由超过4000家企业及机构所构成的生态系统,而其FLC也在积极的推动TSN与OPC UA的融合,以能够实现全球自产业上下游各个环节的连接,IEC60802工作组也致力于TSN的互操作网络行规规范。在汽车工业,TSN作为车载以太网要应对未来自动驾驶的高带宽,高实时与安全性要求,在5G应用联盟,TSN也被用于前传网络的连接。
1.数字化设计类:传统的数字化设计,包括CAD/CAE软件厂商提供了各种信息打包输出,模型、程序,但是,由于与现场系统如机器人、PLC、CNC等并无直接的连接,这使得作业任务只能通过人工方式输入到机器,并且无法上行数据,那么就无法构建数字孪生的实际运行系统,或者仅能依靠专用的某家企业的接口,这使得用户无法获得最大的自由选择。
图3-OPC UA over TSN构建全新生态系统
如果可以通过OPC UA来定义数字化设计与运行系统之间的接口,对于用户来说动态的仿真及工艺下发即可实现。
2.芯片厂商:大量的芯片厂商要为TSN提供芯片实现,像Intel、XILINX、NXP、AD等均提供了针对TSN开发所需的芯片解决方案,NXP还可以提供车规级的TSN芯片,这样才能让这个芯片的成本越来越低,据说Intel会在其未来芯片中直接提供TSN的支持能力,这将使得实现变得更为简单。
3.技术提供商,像TTTech、NetLogic、Broadcom等公司也为TSN的实现提供了IP解决方案,这些可以让用户快速开发硬件和配置工具。
4.终端与桥节点:像贝加莱、三菱等自动化厂商会提供PLC、伺服驱动系统等终端节点产品,以及MOXA、赫斯曼等提供的TSN交换机设备使得其应用架构可以实现。
包括大学、标准化组织、测试验证机构、终端用户、机器制造商,共同构成的生态,有助于OPC UA over TSN的快速落地,推进数字互联与边缘智能应用。
图4-OPC UA over TSN的架构
我们可以看到,OPC UA over TSN是一种模块化的网络组合,有以下几种场景:
(1)对于数据采集型任务,可以采用基本的OPCUA,通过标准以太网即可。
(2)对于需要多个主站参与的数据交互,考虑到数据带宽需求,以及网络数据负载,可以采用OPC UA Pub/Sub机制在M2M和M2B之间进行数据交互。
(3)对于实时性要求较高的采样与控制:采用OPC UA over TSN的架构来实现。
之所以采用OPC UA over TSN的非常重要应用场景在于:
(1)实时的质量迭代任务:对于高速采集并进行整体优化,又需要快速下发给执行侧去执行的场景,例如快速的视觉缺陷检测,对下一个产品进行高速的位置调整的情况,而不是趋势性调整,要求极高的响应能力。
(2)上下行数据系统的动态交互场景:在这个场景中,由于数据带宽要求较高,异构数据的传输问题,因此,也同样需要OPC UA over TSN来简化网络连接的架构,避免由于拓扑、交互机制等造成的网络带宽负载过高,以及数据访问的方法(程序的调用)造成的复杂性。
(3)云化或边缘控制架构也需要OPCUA TSN的支撑
其实现在有很多针对边缘控制,乃至云化的PLC提法,如果有OPC UA TSN其实也是可以实现的,因为,现场的分布式I/O站可以采集数据,并通过OPC UA over TSN的交换机网络,TSN提供实时传输能力,而OPC UA则提供Pub/Sub机制的数据分发,那么,这个在理论上是完全可以实现的。
(4)数字孪生的场景:其实,目前讲数字孪生很多,但是,真正要去实现还是比较难的,除非有全系列软硬件架构,而这是客户所不愿意看到的,因此,一定是基于开放的规约,让不同的数字化设计、运行、管理软件形成统一的连接能力,发挥各自的优势,才是最佳局面,而这必然要依托于OPC UA及TSN的架构才能真正实现。