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工业互联网关键技术-OPC UA TSN

2019年03月11日     贝加莱工业自动化(中国)有限公司·宋华振

[导读]工业互联网正在成为热点,产业均将工业互联网视为提升自身运营效率的法宝,在政策的鼓励下也都增大投资,并且构建各种工业互联网包括云、边缘平台,然而,我们必须清楚的意识到,工业互联网必须...

  工业互联网正在成为热点,产业均将工业互联网视为提升自身运营效率的法宝,在政策的鼓励下也都增大投资,并且构建各种工业互联网包括云、边缘平台,然而,我们必须清楚的意识到,工业互联网必须先构建一个“网络”,而这个话题却较少被关注到,因为目前很多从事工业互联网的都来自IT产业,对工业现场缺乏一定的认识,因此,有必要对制造现场的情况予以了解,并据此制定路线,如果自上而下规划一定会遇到数据的采集与最终的优化结果形成的指令、程序下行传输问题,而自下而上的规划就会先解决“互联”问题。

  一、工业互联的障碍

  在单个的机器生产,包括流程工业的运营中,传统的现场总线是可以解决问题的,我们把这种定义为“集中控制”,由PLC/IPC作为控制中心,通过现场总线将分布式I/O节点、伺服驱动器等连接,并通过软件定义的机器工艺与逻辑,控制机器的运行,保证加工速度与效率。

  图1-集中式控制到分布式计算的改变

  而工业互联网则基于“协同制造”,通过数据来优化生产中的节拍、降低不增值的生产环节消耗的时间成本,并且通过全局的产线、工厂数据采集来实现全局的“规划”、“优化”、“策略”这样的边缘计算问题,在更长的时间粒度上,还会牵扯到基于云的大数据分析、机器学习、深度学习等。

  图1反映了这种集中式控制与分布式计算架构的转变,这也是工业互联网的主要特征。

  1.1语义互操作问题

  由集中式控制到分布式计算,这样的架构使得传统的现场总线会遇到瓶颈,这包括以下几个方面:

  连接,缺乏统一的应用层协议,各个不同的总线包括Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen,这些使得设备间无法实现“语义互操作”,而对于M2M、以及垂直的B2M、包括端到端的B2B场景而言,语义互操作是必须解决的问题,否则数据就无法真正被连接。

  语义互操作相当于用相同的语言说,而不是中文说“你好”、英语说“Hello”、法语说“Bonjour”、俄语会说Здравствуйте,而这些必须以统一的语言,在工业通信里包括语法结构、语义的统一和规范,这里强调的是统一规范,而不是每个公司都用不同的,例如5+5计算的时候,如果一个是125px,一个是5inch这个5+5就无法进行计算。

  1.2网络的统一性问题

  工业网络与IT的商业架构网络有非常大的差别,工业网络特别强调“实时性”-因为所有控制是基于“等时同步”,即网络数据传输的确定性,以及低抖动(一般在50nS左右),包括对安全性的需求(Safety而非信息安全的Security),而IT网路因为传输类似视频、音频、图像、文件等需要高带宽,以及安全性(Security),这些差异使得工业网络与标准的以太网有很大的差别,在ISO/OSI模型中,工业网络通畅仅物理层、数据链路层、应用层三层架构为主,交换机一般都不大使用,因为会有延时。

  二、OPCUA扮演的角色

  OPCUA和TSN严格来说并非是一项技术,而是标准,因为当整个互联时,需要的是“标准与规范”,而OPCUA和TSN分别扮演语义互操作层的任务,而TSN则实现实时与非实时数据的统一网络传输。

  图2-OPCUA模型架构

  2.1OPCUA的功能与职责

  OPCUA目的为了异构网络间的的语义互操作问题,如图2,为了实现这个目的由多个方面的功能与职责构成:

  (1).连接:OPCUA支持两种模式的连接,对于MES/ERP、SCADA或者其它任何来自局域网、私有云架构、边缘计算侧的节点而言,都可以通过Client/Server架构和Pub/Sub机制来相互建立连接,OPCUA支持针对http/WebSocket、UATCP的连接,以及JSON的支持,而Pub/Sub的机制如MQTT/AMQP也在最新的OPCUA中获得了支持,使得OPCUA具有了广泛适用性。

  (2).信息模型是OPCUA的核心

  事实上,OPCUA的核心在于信息模型,这包括几个方面:

  --元模型:包括基础的对象、参考、数据、类型与结构定义;

  --内嵌信息模型,包括用于设备的,以及信息如历史数据、报警、趋势、日志等的数据规范;

  --伴随信息模型:OPCUA与各个行业的技术组织合作,将各种垂直行业的信息模型集成到OPCUA架构下,如MTConnect针对机床行业、PackML针对包装工业、Euromap针对塑料工业,而AutomationML则针对汽车工业中的产线中机器人、控制器等的连接,包括最新的AutoID是针对RFID、条码、二维码的数据采集。

  信息模型简化了工业互联网中的数据处理的工程量,否则,就会需要大量的工程时间消耗在网络数据的配置、驱动的编写、测试接口等,就无法快速扩张应用,使得工业互联没有经济性。

  (3).安全,传统的实时以太网技术等由于采用的是非标准以太网的机制,因此,也无法与IT网络同时运行,因此,通常这两种网络是完全隔开的,外界很难访问实时网络,因此,也不大存在数据安全问题,主要是在人身与财产安全的功能(基于IEC61508/ISO10218-针对机器人行业等),而对于工业互联网,这个安全就变得迫切,因此,OPCUA在整个架构设计中就贯穿了安全机制,包括加密、角色管理等多重机制。

  2.2OPCUA被工业界大多数企业与组织所支持

  目前,OPCUA基金会有大约4000多支持的企业,包括了全球最为知名的自动化厂商如ABB、SIEMENS、ABB旗下的B&R、RockwellAB、Schneider、NI、和利时等众多主流自动化厂商,也包括CISCO、Microsoft、SAP,以及国内的华为,各个现场总线基金会、如FDT/DTM、EPSG、ETG,包括VDMA、ZVI等协会都加入OPCUA基金会,共同推动OPCUA标准与规范。

  OPCUA也是美国工业互联网组织IIC的工业互联网参考架构IIRA的通信互联标准,而对于德国工业4.0而言,其AdministrationShell是其协同关键,也是支持OPCUA作为通信标准,包括中国的智能制造标准体系也同样支持OPCUA作为信息传输标准与规范。

  如图3所示,工业4.0实现中,通信则是基于OPCUA扮演非常关键的角色,在多个层次进行数据的传输,并通过伴随协议来支持垂直行业的信息交互。

  图3-基于OPCUA的工业4.0通信实现

  三、TSN--远非聚焦工业的通信技术

  3.1TSN应用于哪些场景?

  在ISO/OSI模型中,TSN主要聚焦在第二层,最初,它是为了音/视频同步而设计,后来被汽车行业关注成立了IEEE802.1Q工作组用于AVB(Audio-VideoBridge),后来被工业领域的人关注,在2015年由主要的自动化、IT厂商成立了TSN工作组致力于开发具有通用架构的网络基础设施,目前华为、CISCO这些IT厂商、ABB、Shneider、SIEMENS几乎绝大多数的自动化厂商都参与到了这个技术的研发与标准的制定过程中。

  图4显示了TSN对于数据传输的应用场景,包括了广播、精确同步时钟(工业场景、航空航天、高铁、车联网)、用于安全的实时控制(SIL3/PLe等级的安全需要高动态响应网络支持)、高吞吐量的数据如图像、高清视频,包括未来的AR/VR应用于工业的场景,都需要高带宽、低延时的网络来实现传输,因此,工业互联网—这个包括了多种类型数据、应用场景的未来趋势,必须借助于TSN这样的网络,当然,TSN目前主要在底层有线网络,未来低延时网络也会包括DetNet(由电信运营企业建立的上层网络)、5G都会融入到工业互联网,各司其职的进行数据传输。

  图4-TSN应用于多种数据的传输需求而产生

  2.2TSN技术由哪些构成?

  TSN技术的实现是基于“桥接”网络技术,而且采用了更为精准的gPTP时钟(相对于传统IEEE1588的升级版),时钟数据会在第2层直接插入到数据帧,而不像传统网络采用IPv4/IPv6的IP数据包传输时间,由于经过路由等会有较大的延时,TSN有众多的Shaper-整形器来对数据进行分类调度,时间严苛需求就可以走直接的预先规划的时间通道,而其它则基于“BestEffort”的策略来进行优先级传输调度。

  TSN有系列的技术标准构成,目前IEEE已经发布了很多标准,如图5所示,它包括了多个部分的标准:

  图5-TSN相关标准

  (1).时钟同步,包括IEEE802.1AS和为了工业更为可靠的时钟同步修订版IEEE802.1AS-Rev,相对而言,IEEE802.1AS-rev对于网络的时钟精度要求更高,而且它支持一步机制,不像有些网络节点如果不带时间戳还需第二步额外再发一个时间信息包。

  (2).数据流控制相关的标准

  主要是针对各种整形器的标准(Shaper),在数据流处理(如图6所示),经过接收端、入口、滤波、流量计量,到达交换机队列中,而传输选择则是基于不同的整形器(Shaper)来进行不同应用场景的流控制,主要包括以下几种情况:

  CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB标准包;

  TAS—时间感知执行器,对于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器,目前这个主要针对工业应用场景;

  抢占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,这个是为了让Qbv的带宽使用更为高效而设计的机制;

  IEEE802.1Qch所采用的周期性序列与转发,以及Qcr异步数据流整形(ATS)等,这些不同的整形器基于不同的应用场景。

  图6-IEEE802.1Q的标准数据帧处理流程

  (3).为了可靠性而设计的标准

  IEEE802.1AS-Rev主要是为了避免主时钟失效时切换到另一个主时钟;

  IEEE802.1Qci帧检测过滤与报错-针对数据帧为及时到达或者错误的数据帧等进行的处理机制;

  IEEE802.1QCB-针对数据帧的复制与解除-数据沿着环路走时会复制,但在某个节点相遇则会解除一个数据帧的处理机制。

  (4).网络配置协议

  包括IEEE802.1Qat-针对汽车行业的AVB协议包里的一个流预留协议(StreamReservationProtocol);

  IEEE802.1Qcc,针对SRP的增强版,用于配置TSN网络中的Qbu+802.3br、Qbv等,包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG规范,这些都是为了更好的配置网络和用户。

  2.3TSN的主要开发者

  目前TSN由包括Cisco、华为等众多IT和自动化厂商来开展,图7是最早的参与者,积极的进行各种TSN技术的研发,目前这个队伍已经扩展至几乎所有的主流自动化厂商,也包括国内的很多科研院所、大学、企业,并且一些企业如贝加莱、西门子、三菱、倍福、TTTech等已经有产品在2017/2018年的德国SPS和汉诺威展展出。

  图7-TSN最初的核心发起者企业

  四、OPCUATSN构成了边缘与云端的数据源

  总结一下,用图8,我们看到,OPCUA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OPCUA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。

  图8-OPCUATSN在ISO/OSI模型中的定义

  因此,我们可以看到,OPCUATSN构成了类似于Internet的架构,而它是真正针对工业的场景的,未来,由OPCUATSN构成的网络将会成为边缘计算端、云端等应用的数据源。

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编辑:Vivian

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