工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在成為熱點,產(chǎn)業(yè)均將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視為提升自身運營效率的法寶,在政策的鼓勵下也都增大投資,并且構(gòu)建各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括云、邊緣平臺,然而,我們必須清楚的意識到,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須先構(gòu)建一個“網(wǎng)絡(luò)”,而這個話題卻較少被關(guān)注到,因為目前很多從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的都來自IT產(chǎn)業(yè),對工業(yè)現(xiàn)場缺乏一定的認識,因此,有必要對制造現(xiàn)場的情況予以了解,并據(jù)此制定路線,如果自上而下規(guī)劃一定會遇到數(shù)據(jù)的采集與最終的優(yōu)化結(jié)果形成的指令、程序下行傳輸問題,而自下而上的規(guī)劃就會先解決“互聯(lián)”問題。
一工業(yè)互聯(lián)的障礙
在單個的機器生產(chǎn),包括流程工業(yè)的運營中,傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線是可以解決問題的,我們把這種定義為“集中控制”,由PLC/IPC作為控制中心,通過現(xiàn)場總線將分布式I/O節(jié)點、伺服驅(qū)動器等連接,并通過軟件定義的機器工藝與邏輯,控制機器的運行,保證加工速度與效率。
?圖1-集中式控制到分布式計算的改變
而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則基于“協(xié)同制造”,通過數(shù)據(jù)來優(yōu)化生產(chǎn)中的節(jié)拍、降低不增值的生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗的時間成本,并且通過全局的產(chǎn)線、工廠數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)全局的“規(guī)劃”、“優(yōu)化”、“策略”這樣的邊緣計算問題,在更長的時間粒度上,還會牽扯到基于云的大數(shù)據(jù)分析、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。
圖1反映了這種集中式控制與分布式計算架構(gòu)的轉(zhuǎn)變,這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要特征。
1.1語義互操作問題
由集中式控制到分布式計算,這樣的架構(gòu)使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線會遇到瓶頸,這包括以下幾個方面:
連接,缺乏統(tǒng)一的應(yīng)用層協(xié)議,各個不同的總線包括Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen,這些使得設(shè)備間無法實現(xiàn)“語義互操作”,而對于M2M、以及垂直的B2M、包括端到端的B2B場景而言,語義互操作是必須解決的問題,否則數(shù)據(jù)就無法真正被連接。
語義互操作相當(dāng)于用相同的語言說,而不是中文說“你好”、英語說“Hello”、法語說“ Bonjour”、 俄語會說Здравствуйте,而這些必須以統(tǒng)一的語言,在工業(yè)通信里包括語法結(jié)構(gòu)、語義的統(tǒng)一和規(guī)范,這里強調(diào)的是統(tǒng)一規(guī)范,而不是每個公司都用不同的,例如5+5計算的時候,如果一個是5cm,一個是5inch這個5+5就無法進行計算。
1.2網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一性問題
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與IT的商業(yè)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有非常大的差別,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)特別強調(diào)“實時性”-因為所有控制是基于“等時同步”,即網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性,以及低抖動(一般在50nS左右),包括對安全性的需求(Safety而非信息安全的Security),而IT網(wǎng)路因為傳輸類似視頻、音頻、圖像、文件等需要高帶寬,以及安全性(Security),這些差異使得工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)有很大的差別,在ISO/OSI模型中,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通暢僅物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層三層架構(gòu)為主,交換機一般都不大使用,因為會有延時。
二OPC UA扮演的角色
OPC UA和TSN嚴(yán)格來說并非是一項技術(shù),而是標(biāo)準(zhǔn),因為當(dāng)整個互聯(lián)時,需要的是“標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范”,而OPC UA和TSN分別扮演語義互操作層的任務(wù),而TSN則實現(xiàn)實時與非實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)傳輸。
?圖2-OPC UA模型架構(gòu)
2.1OPC UA的功能與職責(zé)
OPC UA目的為了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的的語義互操作問題,如圖2,為了實現(xiàn)這個目的由多個方面的功能與職責(zé)構(gòu)成:
(1)連接:OPC UA支持兩種模式的連接,對于MES/ERP、SCADA或者其它任何來自局域網(wǎng)、私有云架構(gòu)、邊緣計算側(cè)的節(jié)點而言,都可以通過Client/Server架構(gòu)和Pub/Sub機制來相互建立連接,OPC UA支持針對http/WebSocket、UA TCP的連接,以及JSON的支持,而Pub/Sub的機制如MQTT/AMQP也在最新的OPC UA中獲得了支持,使得OPC UA具有了廣泛適用性。
(2)信息模型是OPC UA的核心
事實上,OPC UA的核心在于信息模型,這包括幾個方面:
?元模型:包括基礎(chǔ)的對象、參考、數(shù)據(jù)、類型與結(jié)構(gòu)定義;
?內(nèi)嵌信息模型,包括用于設(shè)備的,以及信息如歷史數(shù)據(jù)、報警、趨勢、日志等的數(shù)據(jù)規(guī)范;
?伴隨信息模型:OPC UA與各個行業(yè)的技術(shù)組織合作,將各種垂直行業(yè)的信息模型集成到OPC UA架構(gòu)下,如MTConnect針對機床行業(yè)、PackML針對包裝工業(yè)、Euromap針對塑料工業(yè),而Automation ML則針對汽車工業(yè)中的產(chǎn)線中機器人、控制器等的連接,包括最新的AutoID是針對RFID、條碼、二維碼的數(shù)據(jù)采集。
信息模型簡化了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理的工程量,否則,就會需要大量的工程時間消耗在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的配置、驅(qū)動的編寫、測試接口等,就無法快速擴張應(yīng)用,使得工業(yè)互聯(lián)沒有經(jīng)濟性。
(3)安全,傳統(tǒng)的實時以太網(wǎng)技術(shù)等由于采用的是非標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的機制,因此,也無法與IT網(wǎng)絡(luò)同時運行,因此,通常這兩種網(wǎng)絡(luò)是完全隔開的,外界很難訪問實時網(wǎng)絡(luò),因此,也不大存在數(shù)據(jù)安全問題,主要是在人身與財產(chǎn)安全的功能(基于IEC61508/ISO10218-針對機器人行業(yè)等),而對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),這個安全就變得迫切,因此,OPC UA在整個架構(gòu)設(shè)計中就貫穿了安全機制,包括加密、角色管理等多重機制。
2.2OPC UA被工業(yè)界大多數(shù)企業(yè)與組織所支持
目前,OPC UA基金會有大約4000多支持的企業(yè),包括了全球最為知名的自動化廠商如ABB、SIEMENS、ABB旗下的B&R、Rockwell AB、Schneider、NI、和利時等眾多主流自動化廠商,也包括CISCO、Microsoft、SAP,以及國內(nèi)的華為,各個現(xiàn)場總線基金會、如FDT/DTM、EPSG、ETG,包括VDMA、ZVI等協(xié)會都加入OPC UA基金會,共同推動OPC UA標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
OPC UA也是美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA的通信互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn),而對于德國工業(yè)4.0而言,其Administration Shell是其協(xié)同關(guān)鍵,也是支持OPC UA作為通信標(biāo)準(zhǔn),包括中國的智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系也同樣支持OPC UA作為信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
如圖3所示,工業(yè)4.0實現(xiàn)中,通信則是基于OPC UA扮演非常關(guān)鍵的角色,在多個層次進行數(shù)據(jù)的傳輸,并通過伴隨協(xié)議來支持垂直行業(yè)的信息交互。
?圖3-基于OPC UA的工業(yè)4.0通信實現(xiàn)
TSN--遠非聚焦工業(yè)的通信技術(shù)
3.1TSN應(yīng)用于哪些場景?
在ISO/OSI模型中,TSN主要聚焦在第二層,最初,它是為了音/視頻同步而設(shè)計,后來被汽車行業(yè)關(guān)注成立了IEEE802.1Q工作組用于AVB(Audio-Video Bridge),后來被工業(yè)領(lǐng)域的人關(guān)注,在2015年由主要的自動化、IT廠商成立了TSN工作組致力于開發(fā)具有通用架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,目前華為、CISCO這些IT廠商、ABB、Shneider、SIEMENS幾乎絕大多數(shù)的自動化廠商都參與到了這個技術(shù)的研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中。
圖4顯示了TSN對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場景,包括了廣播、精確同步時鐘(工業(yè)場景、航空航天、高鐵、車聯(lián)網(wǎng))、用于安全的實時控制(SIL3/PL e等級的安全需要高動態(tài)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)支持)、高吞吐量的數(shù)據(jù)如圖像、高清視頻,包括未來的AR/VR應(yīng)用于工業(yè)的場景,都需要高帶寬、低延時的網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)傳輸,因此,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)—這個包括了多種類型數(shù)據(jù)、應(yīng)用場景的未來趨勢,必須借助于TSN這樣的網(wǎng)絡(luò),當(dāng)然,TSN目前主要在底層有線網(wǎng)絡(luò),未來低延時網(wǎng)絡(luò)也會包括DetNet(由電信運營企業(yè)建立的上層網(wǎng)絡(luò))、5G都會融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),各司其職的進行數(shù)據(jù)傳輸。
?圖4-TSN應(yīng)用于多種數(shù)據(jù)的傳輸需求而產(chǎn)生
3.2TSN技術(shù)由哪些構(gòu)成?
TSN技術(shù)的實現(xiàn)是基于“橋接”網(wǎng)絡(luò)技術(shù),而且采用了更為精準(zhǔn)的gPTP時鐘(相對于傳統(tǒng)IEEE1588的升級版),時鐘數(shù)據(jù)會在第2層直接插入到數(shù)據(jù)幀,而不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用IPv4/IPv6的IP數(shù)據(jù)包傳輸時間,由于經(jīng)過路由等會有較大的延時,TSN有眾多的Shaper-整形器來對數(shù)據(jù)進行分類調(diào)度,時間嚴(yán)苛需求就可以走直接的預(yù)先規(guī)劃的時間通道,而其它則基于“Best Effort”的策略來進行優(yōu)先級傳輸調(diào)度。
TSN有系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,目前IEEE已經(jīng)發(fā)布了很多標(biāo)準(zhǔn),如圖5所示,它包括了多個部分的標(biāo)準(zhǔn):
?圖5-TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
(1)時鐘同步
包括IEEE802.1AS和為了工業(yè)更為可靠的時鐘同步修訂版IEEE802.1AS-Rev,相對而言,IEEE802.1AS-rev對于網(wǎng)絡(luò)的時鐘精度要求更高,而且它支持一步機制,不像有些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點如果不帶時間戳還需第二步額外再發(fā)一個時間信息包。
(2)數(shù)據(jù)流控制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)
主要是針對各種整形器的標(biāo)準(zhǔn)(Shaper),在數(shù)據(jù)流處理(如圖6所示),經(jīng)過接收端、入口、濾波、流量計量,到達交換機隊列中,而傳輸選擇則是基于不同的整形器(Shaper)來進行不同應(yīng)用場景的流控制,主要包括以下幾種情況:
CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB標(biāo)準(zhǔn)包;
TAS—時間感知執(zhí)行器,對于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器,目前這個主要針對工業(yè)應(yīng)用場景;
搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,這個是為了讓Qbv的帶寬使用更為高效而設(shè)計的機制;
IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉(zhuǎn)發(fā),以及Qcr異步數(shù)據(jù)流整形(ATS)等,這些不同的整形器基于不同的應(yīng)用場景。
?圖6-IEEE802.1Q的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀處理流程
(3)為了可靠性而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)
IEEE802.1AS-Rev主要是為了避免主時鐘失效時切換到另一個主時鐘;
IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯-針對數(shù)據(jù)幀為及時到達或者錯誤的數(shù)據(jù)幀等進行的處理機制;
IEEE802.1QCB-針對數(shù)據(jù)幀的復(fù)制與解除-數(shù)據(jù)沿著環(huán)路走時會復(fù)制,但在某個節(jié)點相遇則會解除一個數(shù)據(jù)幀的處理機制。
(4)網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議
包括IEEE802.1Qat-針對汽車行業(yè)的AVB協(xié)議包里的一個流預(yù)留協(xié)議(Stream Reservation Protocol);
IEEE802.1Qcc,針對SRP的增強版,用于配置TSN網(wǎng)絡(luò)中的Qbu+802.3br、Qbv等,包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規(guī)范,這些都是為了更好的配置網(wǎng)絡(luò)和用戶。
3.3TSN的主要開發(fā)者
目前TSN由包括Cisco、華為等眾多IT和自動化廠商來開展,圖7是最早的參與者,積極的進行各種TSN技術(shù)的研發(fā),目前這個隊伍已經(jīng)擴展至幾乎所有的主流自動化廠商,也包括國內(nèi)的很多科研院所、大學(xué)、企業(yè),并且一些企業(yè)如貝加萊、西門子、三菱、倍福、TTTech等已經(jīng)有產(chǎn)品在2017/2018年的德國SPS和漢諾威展展出。
?圖7-TSN最初的核心發(fā)起者企業(yè)
OPC UA TSN構(gòu)成了邊緣與云端的數(shù)據(jù)源
總結(jié)一下,用圖8,我們看到,OPC UA和TSN在整個ISO/OSI模型中分別解決了多個層次的問題,雖然看上去TSN僅處于第2層,但實際上,它是一個橋接網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)會由各個節(jié)點通過RSTP-快速生成樹的方式形成一個路徑表,這有點類似于路由表,每個節(jié)點都會存儲這個路由表,然后對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行中繼傳輸,而OPC UA則包括了會話、表示和應(yīng)用層,包括如何建立主從、Pub/Sub的連接,以及安全的數(shù)據(jù)傳輸TLS機制。
?圖8-OPC UA TSN在ISO/OSI模型中的定義
因此,我們可以看到,OPC UA TSN構(gòu)成了類似于Internet的架構(gòu),而它是真正針對工業(yè)的場景的,未來,由OPC UA TSN構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將會成為邊緣計算端、云端等應(yīng)用的數(shù)據(jù)源。
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