OPC UA TSN——迈向工业互联网新时代

从现场总线时代到OPC UA TSN 的发展趋势,工业互联网影响的不仅是技术,也影响着产业的商业模式。

从现场总线时代到OPC UA TSN 的发展趋势,工业互联网影响的不仅是技术,也影响着产业的商业模式。

现场总线时代

在70年代末,现场总线出现,总线技术是伴随着控制技术而发展的,当大量的仪表信号经过长距离传输至中央控制室的时候,带来了接线的复杂以及干扰,这些为控制系统稳定可靠运行带来了不便,而现场总线则将这些物理信号数字化,大幅度减少了接线以及数据传输的可靠性,并且通过总线,也带来了配置、诊断与维护的便利。

但是,现场总线实在种类太多,由于各个公司都形成了自身的总线,在历史上据说“有多少个控制器厂商,就有多少种现场总线”,即使仅以IEC61158标准为参考,也多达18 种,如图1。

现场总线的差异是巨大的,包括电平、电缆、接头、终端电阻、网络拓扑结构、数据帧长度、带宽、最大节点数、节点间距、校验位、诊断方式多个维度的差异,这使得现场总线虽然解决了远程数据采集、分布式控制,但由于总线本身的差异,使得其无法互连。

在2001年,由贝加莱推出了第一个实时以太网技术POWERLINK,采用了通用的以太网技术,这使得基本的带宽、间距、数据帧、物理信号、连接端子(RJ45或M12)等统一,物理层和数据链路层采用了以太网技术,而应用层则采用了广为使用的 CANopen,所谓“CANopen Over Ethernet”,之后,各家公司分别推出了相应的实时以太网技术,如图2。

实时以太网技术相对于传统现场总线,带宽、节点数、循环周期、时钟同步都大幅提升,因此更为适应于分布式控制,而且以太网数据帧较大,适合于较大的数据容量。

但是,随着智能制造的推进,对于制造“协同”有着更高的要求,而这个时候就需要在不同的机器间进行沟通,而各个机器所采用的却非相同的通信协议,这使得需要实现“语义互操作”,即在异构网络间进行语义的统一标准与规范的构建,而另一方面,网络对于IT与OT的数据融合有了新的要求,IT数据更强调容量、安全(Security),而OT则强调确定性、安全(Safety)、稳定与可靠,如何实现这两种数据网络的融合,并在语义层定义规范与标准,这是OPC UA 之所以被推进的原因。工业界将聚焦点放在了OPC UA +TSN的融合上,如图3。

OPC UA TSN=工业互联网

参考一下Internet协议族,我们会发现,OPC UA TSN解决了整个 Internet几个层级的问题,TSN解决了1+2层的协议问题,而OPC UA TSN则解决了采用通用的Internet进行传输的问题,也即,OPC UA TSN 解决了Internet对应在工业领域的七层架构问题,在解决实时数据与非实时数据传输时,TSN采用了VLAN技术,而当无需进行实时性传输时的数据则采用IP、TCP方式来传输,OPC UA对于底层的网络传输方式支持各种应用层协议,http(s)、UADP等,以及OPC UA C/S模式、Pub/Sub模式(IEC62451-Part13),整体架构如图4所示.

而OPC UA在这里最为关键的是 OPC UA信息模型,以及OPC UA设备特定行规的定义,这是OPC UA的角色。

互联网将改变自动化世界开放的世界互联,才能使得制造业分享来自于互联网世界丰富的资源:

·基础设施资源:由于互联网的发展,存储、网络传输均已经大量发展,进而变得成本低廉,尤其是今天的移动终端已经完全可以代替过去的 HMI来为工程师显示现场的状态。

 ·丰富的软件资源:丰富的仿真、建模软件、开源技术、人工智能、机器视觉、智能传感器技术为自动化带来更多的低成本资源。

OICT融合带来全局优化

· 通过工业互联技术,实现 OICT的融合,使得整个制造业可以实现更为广泛的生产效能提升。协同制造:通过设备间的互联,消除中间浪费环节、缩短工艺切换时间等可以提高生产整体效率,尤其是在个性化制造时代,压缩工艺切换的时间对于提升生产效率,降低成本至关重要。

·边缘计算:通过OPC UA TSN 对现场数据的获取,可以实现对全局的优化,边缘计算主要基于策略性、规划、调度性问题而产生,由于今天 IT技术的网络传输、存储、计算、数据处理能力使得过去难以实现的优化得以实现。

商业模式即将改变

 ·全生命周期服务:机器制造商可以为客户提供基于数据驱动的服务,包括预测性维护、工艺设计能力租赁、基于时间的服务租用等延伸性的服务,更为紧密的发挥自身的技术能力,获得盈利,而对用户也降低了自身的资源消耗。

·低成本运营:基于分布式计算工业云服务与应用APP,用户无需部署自己的高昂费用的基础设施,以及购买大量的软件,而仅需通过低廉的成本购买或租用APP的使用权,来让自己的公司轻资产运行。

互联网带给我们的不仅仅是连接,也会带来业务模式的变化。

 

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