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    • OPC UA TSN-不得不关注的智能制造通信全架构
    • 发布时间:2019/2/26 16:18:45   修改时间:2019/2/26 16:18:45 浏览次数:1211
    •   今天的形势
        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:
       ?。?)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。
       ?。?)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。
       ?。?)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:
       ?。?)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。
       ?。?)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://www.ieee.org)

       ?。?)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。
       ?。?)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。

        图6-2018年SPS全球主要的OICT厂商共同支持OPC UA工业互操作标准

        贝加莱作为整形器的主要参与者
        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。

        图7-贝加莱积极参与TSN的整形器标准制定工作

        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-贝加莱在2018年SPS展会上的OPC UA TSN系统

        图8是2018年贝加莱在德国SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO。
        场景应用
        OPC UA典型应用
        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。
        1.mappVIEW
        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”-SeparteofConcern),这样可以实现??榛娜砑杓?。

        图9-基于OPC UA实现的mappVIEW

        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。
        2.Euromap
        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。

        图10-Euromap垂直行业信息模型也集成到OPC UA规范中

        3.OPC UA TSN开拓了IIoT应用
        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。

        图11-基于OPC UA TSN的架构

        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。
        欲了解贝加莱在OPC UA TSN的最新技术进展和应用,请访问贝加莱深圳机械展展台。
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    贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业,2017年7月,贝加莱成为ABB集团的机器人及离散自动化业务部的一个业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者,贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客…  更多>>
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