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OPC UA TSN:智能制造通信全架构解决方案

发布时间:2019-09-24 15:38   类型:应用案例   人浏览
异构语义互操作 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: 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

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