未来工业通信的“通用语言”——OPC UA TSN

在2019年汉诺威工业博览会上,“融合的工业——工业智能”成为本次展览会的主题。众多产品演示和公告促进了TSN(时间敏感网络)与OPC UA(OPC统一架构)结合,掀起了工业互联网的新风浪。TSN+OPC UA组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的工业通信网络,将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。然而,真正推动却并非想象那么简单,因为制造业的细分造成了垂直领域的壁垒,IT试图访问OT遇到的障碍超出了大多数人的想象。

工业互联网的障碍:OT与IT难以融合

IT (Information Technology),即信息技术,是用于管理和处理信息所采用的各种技术总称,主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。OT (Operational Technology),指操作技术,是工厂内的自动化控制系统操作专员为自动化控制系统提供支持,确保生产正常进行的专业技术。IT/OT的融合是近几年的热点,其大致意思是通过打通制造执行系统与运营管理系统之间的数据链路,并将二者整合在一个统一的信息平台上,从而帮助企业提升在生产管理、运营决策与制造执行等各方面的综合效益。但知难行易,将OT与IT融合并不是一件容易的事情,制造企业除了需要面对跨界投入不稳定、不确定的风险以及设备、专业IT人力等成本的挑战外,IT与OT本身的特性也为二者融合设置了障碍。

图1 IT 与OT比较

1.从现场总线到实时以太网

图2制造业现场的通信网络演变

上图是制造业现场的通信网络演变历史,现场总线为工业控制系统带来了很多便利,通过统一的总线连接实现了分布式控制。但是随着各家公司根据自己业务、技术路线开发了自己的总线,不同的总线又造成了新的壁垒,使得各个现场总线在物理介质、电平、带宽、节点数、校验方式、传输机制等多个维度都是不同的,因此造成了同一总线标准设备可以互联,而不同总线设备则无法互联。

为了改变这一状况,到了21世纪,实时以太网技术投入工业使用,当时贝加莱推出了工业领域的第一个实时以太网POWERLINK。与传统总线相比,实时以太网统一采用标准的IEEE802.3网络,在这个层面上,各厂家实现了统一。

2.互联互通互操作
然而,实时以太网是基于原有的三层网络架构(物理层、数据链路层、应用层),在应用层采用了诸如Profibus(现场总线标准,由西门子等多家厂商推动)、CANopen等协议,因此实时的以太网只统一了物理层与数据链路层的问题,在应用层面Profibus、CANopen这些协议各厂家依然无法互通。

就像英语中 “Hello!”表示问候,而中文说“你好!”,不同国家的人都会有不同的语言,不同的机器也有不同的语言,这些语义之间的差异使得用户不能说 “A机器走了2英寸,而B机器走了2厘米,他们走了相同的位移。”尽管从获得的数据上来说都是“2”,但这两者的尺寸却完全不同。

图3工业物联网的应用场景

3.周期性数据采集与实时性
传统OT为实现如温度闭环、运动控制、机器人等控制,需要周期性的数据采集,OT采用轮询机制解决“周期性”数据的传输问题。但在IT的架构中,数据并不是周期性传输,由于标准以太网无法满足周期性的确定性传输以及微秒级的实时性,才开发了如实时以太网POWERLINK、Profinet等基于以太网的协议,然而,这些协议都无法满足在一个网络环境里传输两种不同结构的数据。

在此背景下,OPC基金会在2018年底宣布,它将积极推广其发布/订阅的信息系统(Publish-Subscribe),让工业设备通过说出相同的“协议”(一组用于交换数据的读写命令)来相互通信。OPC UA解决的正是在水平集成与垂直的信息集成两个维度的“语义互操作”问题,首先在水平方向采用统一的标准定义“语义信息”,然后与IT系统进行语义的统一,使得在水平和垂直两个方向均实现统一的语义信息互操作。此外,时间敏感网络(TSN)作为一种时间同步和确定性的机制,正在迅速获得业界人士的认可。这两种技术的结合为在工业中单一通用的以太网解决方案铺平了道路,有朝一日它们可能会取代今天的工业以太网解决方案。

图4 OPC UA TSN架构

二、新一代协议标准:OPC UA

OPC全称是OLE for Process Control,它基于微软Windows系统提供的COM/DCOM技术,用于软件之间数据交换的规范。OPC规范定义了几种不同的,用于访问过程数据、报警信息以及历史数据的版本规范。不过,基于COM/DCOM的技术有着不可根除的缺点,因此随着技术的进步,以及数据交换各方面需求的提高,OPC基金会发布了新的规范:OPC UA。OPC UA是OPC工业标准的补充,作为数据互联的基础标准与规范,它提供了一些重要的特性,如平台独立性,扩展性,高可靠性和连接互联网的能力。 现在,OPC UA已经成为独立于微软,UNIX或其他的操作系统企业层和嵌入式自动组建之间的桥梁。

为什么要用OPC UA?

工业通信分为互联(硬件接口的连接)、互通(软件层面的数据格式与规范)、语义互操作(语义的定义与规范)几个层面,而各种总线解决的是连接问题,而互通解决了应用层的匹配,而OPC UA则解决不同系统之间的语义的互操作-包括应用行为与动态功能。

独立性、安全、国际标准、建模与信息模型、即插即用这些都是从技术角度来分析OPC UA何以成为大家关注的焦点。

图5 OPC UA的优点

现阶段一些主流的自动化厂商和顶级的IT公司如华为、Microsoft、CISCO等都成为了OPC UA的支持者,以及协会组织如OMAC、Euromap、Automation ML、ISA、FDT/DTM、MTConnect、BacNet。全球主要的现场总线基金会如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII均积极支持参与OPC UA的融合与开发工作。德国工业4.0组织和美国工业互联网组织IIC均将OPC UA列为了实现语义互操作的标准规范。

工业设备互通的核心:OPC UA的信息模型

为了实现机器与机器(M2M)、机器与商业系统(M2B)以及商业系统间(B2B)的协同,OPC UA是最佳的通道,OPC UA为此提供了基础信息模型,包括底层总线传输的语义可以参考统一标准进行定义,而垂直行业的信息模型也同样可以进行协同。

信息模型是什么呢?在OPC UA的基础架构中包括内嵌信息模型、行业信息模型与供应商信息模型几个层面的信息模型。如果用OPC UA的技术语言来解释,还是很难理解。举个例子如果我们想实现机器人与注塑机协同工作的时候,我们必须清楚,他们之间需要哪些数据来保证他们之间的工作一致性呢?这就是数据的应用问题。简单来说信息模型就是为了实现特定任务,而对数据所进行的标准封装,OPC UA提供了一个如何封装信息模型的标准。

图6 OPC UA信息模型

从技术层面来说,OPC UA信息模型与计算机编程的概念类似。在计算机编程中,采用了继承、多态、数据抽象和封装来构建计算机程序。OPC UA也提供了一种方法来定义和公开对象类型(带有成员变量和成员方法的类)以及对象实例。一开始,OPC基金会就定义了标准类型,用户可以通过类继承来创建自定义类。例如,想公开一个压缩机的信息,你可以继承OPC UA的BaseObjectType来定义一个新的类型,名为CompressorObjectType,它的成员变量就会包括电机温度、振动、电机电流以及成员方法如启动压缩机和停止压缩机。

这是什么意思?这意味着工程工作量大大减少,OPC UA允许针对提供专用功能的类型定义进行开发,同时代码的可重用性得到极大改善,因为一个OEM制造商的类型定义可以通过适当的修改由另一个OEM制造商继承。

图7 OPC UA基础信息模型种类

目前,整个行业都在进行广泛的合作,各个公司正在使用OPC UA提供的基础信息模型来定义自己的标准。这些合作涉及工业通信协议建模,其中Profibus、BACnet等协议正在映射到OPC UA以及垂直行业的特定协作,如石油和天然气、能源和工厂自动化。这种方法可以通过垂直行业的各种系统对信息进行通用处理,并为工业4.0带来通用的标准。

三、工业物联网的助推器:TSN

TSN在工业物联网(IIoT)和工业4.0中扮演的角色比较突出,它解决了OT周期性数据与IT非周期性数据、OT实时性与IT数据容量大、节点多的问题。TSN为以太网提供确定性性能,本质上是一个确定性以太网扩展集,同时也是音频视频桥接 (AVB) 的后继者。TSN是一项从视频音频数据领域延伸至工业领域、汽车领域的技术。

TSN最初来源于音视频领域的应用需求,当时该技术被称为AVB,由于针对音视频网络需要较高的带宽和最大限度的实时,借助AVB能较好的传输高质量音视频。2006年,IEEE802.1工作组成立AVB音频视频桥接任务组,并在随后的几年里成功解决了音频视频网络中数据实时同步传输的问题。这一点立刻受到来自汽车和工业等领域人士的关注。2012年,AVB任务组在其章程中扩大了时间确定性以太网的应用需求和适用范围,并同时将任务组名称改为现在的:TSN任务组。TSN是以以太网为基础的新一代网络标准,具有时间同步、延时保证等确保实时性的功能。(TSN具体内容介绍详见《下一代工业通信—TSN(时间敏感网络),工业物联网的助推器》

四、未来工业通信的统一标准:OPC UA +TSN

OPC UA TSN,就是时间敏感网络 TSN 与 OPC UA 的融合,将 IT 和 OT 无缝融合到工业通信项目中,从传感器到云端建立全面的通信基础结构。OPC UA 是针对嵌入式应用的 OPC 通信标准的重大发展,旨在为嵌入式设备在较小空间内优化性能,包括:1)用于描述数据的源模型;2)用于交换和浏览信息的通讯基础结构;3)带有内置的安全模型,可以根据 IEC62443 来实施安全系统。

TSN 能把 PROFINET 等实时以太网现场总线和 OPC UA 共享到同一个通信设施上,识别底层 IO 设备,所以实现了从现场层、控制层、管理层直到云端的数据通信。OPC UA TSN 并不会与某特定厂商绑定,从而减少人为干预,其适用性比过去任何一种现场总线宽广得多。

从ISO/OSI模型看OPU CA+TSN

OPC UA和TSN在整个ISO/OSI模型中分别解决了多个层次的问题,虽然看上去TSN仅处于第2层,但实际上,它是一个桥接网络,网络会由各个节点通过RSTP-快速生成树的方式形成一个路径表,这有点类似于路由表,每个节点都会存储这个路由表,然后对转发的数据进行中继传输,而OPC UA则包括了会话、表示和应用层,包括如何建立主从、Pub/Sub的连接,以及安全的数据传输TLS机制。

下图说明了 OPC UA TSN 所使用的协议、服务的概述、以及它们如何适应 ISO/OSI 参考模型的各层。


图8 OPC UA TSN 所使用的协议

1) 物理层:基于铜 Fast Ethernet(100BASE-T/T1)、Gigabit Ethernet(100BASE-T/T1);基于光纤 Fast Ethernet(100BASE-T/T1)、Gigabit Ethernet(100BASE-T/T1),对于过程自动化,已经成立了一个工作组来开发十兆单双绞线以太网(10SPE),该介质可以促使以太网传播至更小、成本更敏感的传感器、执行机构设备、以及 Zone 1 防爆危险区。
2) 数据链路层:802.1 标准化了以太网交换机(称之为”网桥”),802.3 标准化了以太网端点。与工业通讯相关的标准:IEEE 802.1AS它用于实现高精度的时钟同步。TSN 工作组正在开发 IEEE 802.1AS(.1ASRev)的修订版。此修订版解决了最高级冗余和多时钟域(例如,同时分配工作时钟(同步传输的基础)和挂钟(例如,记录消息))的机制。数据链路层中有很多关于时钟的协议,详情可以参见https://1.ieee802.org/

图9 数据链路层各TSN协议名称

3)第 3~6 层:对于 OPC UA 客户端/服务器,支持带可选安全(TLS)的 TCP/IP 连接。对于 Pub/Sub 连接,支持 UADP25 over UDP/IP 或直接在原始以太网上的 UADP。安全在 UADP 层中进行处理。NETCONF 也使用带 TLS 的 TCP/IP。对于设备上的固件升级和 Web 应用程序,可选用 HTTP(S)。
4)应用层:OPC UA 在应用层上采用包括支持客户端/服务器和发布/订阅通信模型。所有设备上的 OPC UA 服务器应支持嵌入式服务器协议。对于资源有限的设备,只能利用发布功能提供数据和 TCB 客户端进行网络配置。客户端/服务器:用于设备配置、浏览信息模型、记录诊断信息等的通讯模型。对于安全应用程序,设备配置应提供数据完整性(签名)和可选的机密性(加密)。发布/订阅(简称:Pub/Sub):用于循环传输的通讯模型。通过使用基于 OPC UA 消息的安全,可选签名和/或加密。具有静态数据集偏移的标头协议可用于在终端站中高效地提取数据集。

OPC UA和TSN贯穿了整个OSI七层模型,使得通过统一标准与规范实现了一个真正的“工业互联网”。 如果说TSN解决的是底层数据获取的问题,那么OPC UA解决的就是应用层语义解析的问题。而基于TSN和OPC UA建立的统一通道,不仅将彻底统一数据链路的服务标准,更将有可能打破传统工业的结构,压缩至扁平化。

图10 TSN与 OPC UA集成的互联架构

上图中展示了未来TSN与OPC UA结合的场景,在水平方向不同品牌的控制器设备通过OPC UA可以被集成,而在垂直方向设备到工厂再到云端都可以被OPC UA连接。TSN 将为工业网络开启关键控制应用,例如机器人控制,驱动器控制和视觉系统。这种连通性可以让用户和供货商更容易从这些系统中获取数据,并对这些系统提供预日常的防性维护和优化,支持快速生产重构,降低工厂停工时间。

结语

“联手OPC UA,TSN将成工业通信领域最具价值‘潜力股’。”美国国家仪器有限公司市场工程师易曦露表示,对于TSN和OPC UA的结合,业界大多看好基于两者建立起的统一通道所带来的后续价值。但在IT与OT推进过程中,面临的挑战也不容忽视。虽然技术上的挑战可能会比较容易解决,毕竟有OPC UA和TSN。而思维上差异可能要在OT和IT融合的过程中慢慢去消除,因为让IT的人将误差从“摩拜单车停在地铁口距离1米的地方“减少到”+/-0.1mm“,这个过程还是很漫长的。

参考
1.http://www.cima.org.cn/article.asp?classid=4&id=21305
2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/42704948
3.https://www.linkedin.com/pulse/opc-ua-information-modelling-glue-binds-industry-kudzai-manditereza/
4.https://cloud.tencent.com/developer/news/124629
5.http://www.elecfans.com/iot/676646.html
6.http://www.qianjia.com/html/2019-03/11_328254.html
7.http://blog.sina.com.cn/s/blog_a68809ea0102x6ri.html
8.http://mini.eastday.com/mobile/170412101521297.html#
9.https://cloud.tencent.com/developer/news/124629
10.https://zhuanlan.zhihu.com/p/42704948


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SDNLAB君 发表于19-04-11
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