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                貝加萊工業自動化(中國)有限公司

                工控機,工業以太網,嵌入式,測控通訊,I/O,網絡通訊,現場總線,集...

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                貝加萊:OPC UA TSN-不得不關注的智能制造通信全架構
                發布時間:2019-02-26        瀏覽次數:402        返回列表

                文:貝加萊工業自動化(中國)有限公司

                今天的形勢

                當我們討論工業物聯網智能制造的時候,它的基礎是基于網絡協同而實現的,傳統的IT主要對于高帶寬的需求,而OT則強調其低延時,盡管物理的介質、互聯的接口都已經有了,而在異構網絡連接中的“語義互操作”問題卻沒有統一而一致的標準。

                圖1反映了以下這些問題:缺乏可連接性,主要表現在語義互操作的接口標準與規范問題方面;而IoT的挑戰則在于高帶寬與低延時在新的工業場景中同時出現――傳統的工業現場主要基于“等時同步”的控制循環,其需要低延遲的確定性網絡,而當前如視覺、振動等應用則需要同時具備高帶寬和低延時特性。至于邊緣計算則需要大量的數據傳輸和智能分析。隨著AR/VR和機器視覺的更為廣泛的應用,這些問題將比以往更加突出。

                圖1-工業物聯網面臨的挑戰

                OPC UA TSN的角色

                這也是OPC UA TSN在過去幾年里一直變得非常流行的原因,OPC UA和TSN共同用于解決我們所面臨的產業互聯難題。

                圖2-OPC UA和TSN的角色定位

                OPC UA主要解決“安全的語義互操作”,OPC UA確保異構網絡中的數據能夠按照統一的標準來定義,這樣,它主要聚焦在ISO/OSI模型的應用、會話、表示三個層面,建立連接、用統一的信息模型規范來表達應用場景中的“設備行規”。


                TSN則解決“實時”與“非實時”數據的同一網絡傳輸問題,它在ISO/OSI模型的數據鏈路層,TSN由一系列的標準構成,主要是解決時鐘同步、數據調度、網絡配置的問題。

                信息模型

                事實上,OPC UA比我們想象的更為強大,它要解決的問題包括了連接、安全、信息模型多個層次的問題,圖3是整個OPC UA的結構,我們可以看到它支持幾個方面的問題:

                (1)連接問題:對于C/S架構的,包括支持TCP,WebSocket/http的傳輸機制,另外也開發了針對Pub/Sub機制的連接,包括最新的架構中對于MQTT/AMQP方面的支持,這使得通過OPC UA即可方便的與云端應用系統進行連接,而且更低的流量消耗。

                (2)信息模型:是構成OPC UA的核心,它指為了實現協同所需的信息模型,包括了基礎元模型(DA,HA,AC,程序),以及伴隨信息模型,或稱為行業信息模型,如PLCopen,Eruomap,MTConnect,PackML、Automation ML等。

                (3)安全的傳輸機制,在整個C/S或Pub/Sub、信息模型的傳輸過程中,都包括了安全的連接建立、數據加密機制,這些依賴于信息安全標準的集成。

                圖3-OPC UA模型

                OPC UA對于整個工業4.0的實現都至關重要,除了在設備、產線層的控制任務數據傳輸,OPC UA還能負責在運營管理層的數據交互,這些在工業4.0的實現中,如圖4均有定義,而OPC UA在系統的配置、管理認證、建模等均有應用空間,即,通過OPC UA實現對業務數據的交互—水平方向,以及垂直方向從傳感器到云端的連接,也包括端到端的連接,即不同業務單元如供應鏈的設計、生產制造、運營維護的數據連接。

                圖4-OPC UA在整個工業4.0實現中的角色

                因此,我們可以看到,OPC UA對于實現工業4.0、IIoT的傳輸至關重要,無所不在的傳輸才能奠定整個數字化、信息化的基礎。

                TSN-熱度最大的通信技術

                TSN并非今天才有,而是最早在音視頻領域,包括現在在航空航天、軌道交通、汽車等領域都已經開始了TSN的研發與應用,工業領域是2015年的TSN工作組成立為起點,事實上,TSN是由一系列的IEEE標準構成,圖5來自IEEE官方關于TSN標準的構成,它包括了以下幾個方面的標準:

                (1)時鐘同步:基于IEEE802.1AS和IEEE802.1AS-Rev,采用廣義精確時鐘同步技術,對網絡的延遲進行測量和計算,并確保數據傳輸的高精度時間基準。

                (2)整形器設計:為不同的應用場景定義了不同的“shaper”(整形器),如為IEEE802.1Qav采用了基于信用的整形器(Credit-basedShaper),為工業實時場景的IEEE802.1Qbv采用TAS(Time AwarenessShaper),以及搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br的組合,其它還包括為異步數據流所定義的ATS(基于IEEE802.1Qcr)。

                圖5-TSN相關標準(Source:http://www.ieee.org)

                (3)可靠性標準:IEEE802.1Q工作組還定義了IEEE802.1CB的幀復制與消除標準,以及IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯標準。

                (4)資源管理:包括流預留協議(Stream Reservation Protocol)的IEEE802.1Qat,用于配置用戶和網絡的增強的流預留協議IEEE802.1Qcc,以及基本YANG模式的802.1Qcp和為Qbv,Qub,Qci所用的YANG標準IEEE802.1PQcw(尚在制定中的標準)。

                走在OPC UA TSN的前沿

                全球主要廠商聚焦OPC UA規范。在2018年SPS上OPC UA基金會組織了媒體會議,共同推動OPC UA over TSN的技術推動與實現,由全球核心的OICT廠商ABB、華為、SIEMENS、貝加萊、博世力士樂、施耐德等主要的廠商均加入其中。

                圖6-2018年SPS全球主要的OICT廠商共同支持OPC UA工業互操作標準

                貝加萊作為整形器的主要參與者

                TSN的系列標準主要差別在于數據流管理的“整形器”Shpaer方面的制定,這些貝加萊也作為積極的參與者,自2015年成立工作組即積極參與其中,并與TTTech、華為等公司一起開發TSN產品、交換機、測試與驗證系統,并積極參與工作組的會議,發揮自身在工業領域豐富的應用與研發經驗。

                圖7-貝加萊積極參與TSN的整形器標準制定工作

                2016年在維也納由TTTech和貝加萊共同組織了TSN整形器工作組啟動會議,此次會議定義該工作組旨在“定位于滿足在傳感器、執行器、控制器以及云端所有工業自動化場景需求的開放、統一、標準的工業物聯網通信方案”

                作為最早將TSN產品發布的公司,在2017的SPS上,貝加萊首先展出了OPC UA TSN的產品演示系統,由200個I/O站、5個高清攝像頭共同、1個工業PC、2臺交換機共同構成的系統,測試其響應達到100μS,成為了2017年SPS的亮點。

                圖8-貝加萊在2018年SPS展會上的OPC UA TSN系統

                圖8是2018年貝加萊在德國SPS上展出的OPC UA TSN的融合DEMO

                場景應用

                OPC UA典型應用

                看上去OPC UA和TSN僅是一些技術標準與規范,那么,它在實際的應用中如何呈現呢?這里我們僅拿幾個簡單的例子予以說明—因為OPC UA TSN的應用領域之廣泛遠非我們想象。

                1. mappVIEW

                可能你沒有想到,對于HMI的設計居然也有OPC UA的事,是的,在貝加萊的mappVIEW中就采用了OPC UA作為“中間服務器”,傳統的HMI和控制器之間有緊密的綁定關系,因此,程序的修改會導致HMI畫面的修改,而HMI修改也會導致程序的修改,有了OPC UA做中間隔離后,就可以實現程序與HMI的獨立(軟件工程稱為“關注點分離”-SeparteofConcern),這樣可以實現模塊化的軟件設計。

                圖9-基于OPC UA實現的mappVIEW

                由于OPC UA支持“角色”,這使得針對不同的用戶(總經理、電氣經理、操作人員)有不同的訪問數據的權限,而這些僅簡單配置即可,而無需以前復雜的編程。

                事實上,與傳統嵌入式HMI的開發不同,基于OPC UA本身的http,WebService,可以開發基于Web技術的畫面,包括自適應能力、多點觸摸能力、表格、曲線的繪制都會變得簡單。

                mappVIEW精彩的HMI設計即基于OPC UA本身的SoA,服務器架構。

                2.Euromap

                垂直行業信息模型是另一個OPC UA的關鍵,對于不同行業,其所需要的數據傳輸、信息模型是不同的,如在塑料行業,模具、機械手、模腔溫度、壓力等參數是必須的,而在制藥行業審計追蹤是必要的,在機床行業主軸轉速是必要的,這些行業的差異使得對信息的構建也不同。

                信息模型會簡化行業工程應用所消耗的時間,而無需復雜編程,通過簡單的模型調用即可獲得相關的參數,圖10即顯示了塑料行業的信息模型。

                圖10-Euromap垂直行業信息模型也集成到OPC UA規范中

                3.OPC UA TSN開拓了IIoT應用

                在今天,我們探討工業物聯網(IIoT)的時代卻遇到非常多的困難,因為最直接的困難在于現場有非常豐富的現場總線和各種應用協議,這些導致了IT對現場的訪問必須編寫非常多的驅動程序和增加額外的設備,而OPC UA TSN解決了這些問題,就像圖11所示,在貝加萊的系統中,通過OPC UA TSN,即可以在一個傳統的實時網絡域中保持原有的應用,并可以通過帶有OPC UA TSN接口的網絡實現兼容性通信,也可以與第三方網絡通過OPC UA TSN實現通信,消除了在橫向集成中的網絡障礙。

                對于云端應用同樣如此,由于OPC UA TSN實現了異構網絡中的語義互操作,不僅在橫向,在縱向、端對端的交互中同樣扮演關鍵角色,而TSN則將延遲更低、帶寬更高的視覺、AR/VR等也能夠同時傳輸。

                圖11-基于OPC UA TSN的架構

                OPC UA TSN解決了傳統工業現場的傳輸復雜性問題,而使得IIoT、智能制造推進中的OICT融合得以完美實現。

                因此,我們可以知道OPC UA TSN對智能制造、IIoT何其重要。

                欲了解貝加萊在OPC UA TSN的最新技術進展和應用,請訪問貝加萊深圳機械展展臺。


                關于貝加萊

                貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創新驅動型自動化企業,2017年7月,貝加萊成為ABB集團全球機器與工廠自動化業務單元。作為全球工業自動化領域的領導者,貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力,為各個產業客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業物聯網通信標準如OPC UA、POWERlink和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發環境,貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續的創新精神,為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業自動化領域前沿技術與方案。

                更多信息請訪問: http://www.br-automation.com

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