制造业现场工业互联网的如何实现?OPC UA TSN来解答

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尽管OICT融合是另另一一三个白多多产业共识,然而,真正推动却何必 想象没办法 简单,而亲戚亲戚朋友 在讨论智能制造的各种实现途径,包括边缘计算、大数据、工业互联网、工业物联网的后来 ,亲戚亲戚朋友 遇到的第另另一一三个白多多问提实际上是连接问提,将会不外理四种 问提则无法推进其它问提的实现。

据报道,中国人工智能市场规模年均增长率超过40%,但23.4%的投资是在商业及零售领域,18.3%在自动驾驶,而制造业相关的人工智能投入能能1%。

一 、IT与OT融合难度在哪里?

1.1现场总线到实时以太网

图1是另另一一三个白多多对于制造业现场的通信网络进行了简要的描述,相对于传统的PLC集中式控制,现场总线为工业控制系统带来了要是 便利,通过统一的总线连接实现了分布式控制,或者通过总线使得接线变得更为简单,而系统的配置、诊断的工作量或者也下降,或者,现场总线是为制造业现场带来要是 便利的技术,然而,各家公司都开发了当事人的总线,在IEC的标准中都是多达20余种总线。总线四种 是带来便利的,或者,不同的总线又造成了新的壁垒,将会各家公司的业务聚焦、技术路线的不同,使得各个现场总线在物理介质、电平、下行速率 、节点数、校验最好的措施、传输机制等多个维度都是不同的,或者造成了同一总线标准设备还能能互联,而不同总线设备则无法互联。

图1-OPC UA TSN技术的产生基础原困

这也是因何实时以太网技术在21世纪初始于投入使用的原困,1501年贝加莱推出POWERLINK实时以太网是工业领域第另另一一三个白多多实时以太网,相较于传统总线,实时以太网的好存在于物理介质、节点数、距离、下行速率 、校验、诊断都统一采用标准的IEEE1502.3网络,或者在四种 层面上,亲戚亲戚朋友 实现了统一。

1.2 互连互通与互操作

或者,实时以太网或者我外理了物理层与数据链路层的问提,对于应用层而言,仍然无法联通—按照IEC的标准,通信连接分为互连、互通、互操作多个层级,各个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、CANopen等协议,而那此协议又无法实现语义互操作。

简单理解语义互操作或者我“5+5”或者我的计算在自动化控制中,是物理的信号直接进行的外理,而对于IT网络传输更多富足的数据行态与类型时就会能能 更多信息,如单位,“5英寸+5厘米”显然是无法进行加法计算的,四种 后来 亲戚亲戚朋友 能能 语义规范与标准,以便让不同的系统之间认识到个人所有每个参数所表达的语义。

1.3智能时代的工业通信

在前面亲戚亲戚朋友 讨论的是在工业现场水平与垂直方向实现物理信号的分派与信息的传输,或者,到了智能制造时代,亲戚亲戚朋友 能能 更为全局的数据分派、传输、计算与分析、优化,进而实现制造的高效协同,提升整个生产下行速率 。

图2简要描述了四种 场景,从工厂到供应链的各个环节都能能 数据的连接,没办法 四种 后来 ,IT与OT的融合会遇到如下复杂:

图2-工业物联网的应用场景

(1)总线的复杂带来的障碍

总线的复杂不仅为制造现场带来复杂,也同样为IT访问OT带来了巨大的障碍,将会为了不同的数据访问就得写不同的网络驱动系统程序运行运行,对于老的工厂采用的不同的物理介质的现场总线还能能 配置额外的网络适配模块,或者或者我在软件层面的驱动系统程序运行运行,即使采用实时以太网,语义仍然能能 编写不同的接口系统程序运行运行,而富足的现场总线与应用层组合出成千上万种将会,这使得IT为了配置网络、数据分派与连接、数据预外理等工作花费巨大,这使得实现这件工作缺陷经济性—这是技术推进难的首要障碍,将会无法经济的实施项目,没办法 就没办法 投入的必要。

(2)周期性否是周期性数据的传输

IT与OT数据的不同也使得网络需求差异,这使得往往采用不同的机制,对于OT而言,其控制任务是周期性的,或者采用的是周期性网络,多数采用轮询机制,由主站对从站分配时间片的模式,而IT数据往往是非周期性的,将会标准以太网无法满足周期性的选者性传输以及微秒级的实时性,才开发了POWERLINK、Profinet等基于以太网的协议,然而,那此都无法在另另一一三个白多多网络里传输四种 不同的数据。

(3)实时性的差异

将会实时性的需求不同,也使得IT与OT网络有差异,对于微秒级的运动控制任务而言,要求网络能能 要非常低的延时与抖动,而对于IT网络则往往对实时性没办法 不得劲的要求,但对数据负载有着要求。

二、OPC UA TSN的角色

图3描述了OPC UA TSN在整个ISO-OSI模型中存在的位置,亲戚亲戚朋友 还能能想看 ,OPC UA主要外理在应用层的问提,而TSN实质上是存在数据链路层。

图3-OPC UA和TSN在ISO-OSI模型中存在的位置

相对而言,OPC UA出显的更早你這個,或者,亲戚亲戚朋友 先介绍OPCUA的角色与意义,再谈TSN。

2.1 OPC UA的角色与意义

OPC UA的角色

OPC UA扮演的角色主要基于下面的问提,在IEC关于互联技术报告中提到互联、互通、语义互操作多个层面的问提(图4中的不兼容、共存不考虑,互换目前无法做到),而OPC UA主要外理在语义互操作的问提上。

图4-IEC技术报告关于通信互联的层级定义

OPC UA的核心问提-信息模型

图5-OPC UA的架构

尽管OPC UA有非常多的使用原困,包括非盈利组织、IEC标准、安全性,或者,对于智能制造而言,多个设备之间的协同(M2M)以及业务管理系统与产线的协同(B2M)、业务单元间的数据(B2B)都能能 OPC UA的协同。

图6是另另一一三个白多多针对塑料行业的信息模型—采用OPC UA标准与规范开发的,应用于注塑机与辅机、注塑机与MES系统之间的信息交互,而同样,OPC UA基金会与OMAC/PackML—针对包装工业的垂直行业信息模型,MTConnect—针对机床工具、AutomationML—汽车工业、BacNet—针对楼宇、ISA-针对MES系统,以及各个现场总线基金会组织如PI、EPSG、ETG等合作最好的措施,使得OPC UA成为一并支持的语义互操作层面的规范与标准。

图6-针对塑料行业的信息模型

而图7则是Industry 4.0中Administration Shell的定义采用OPC UA进行描述的示例

图7-基于OPC UA的管理壳设计

或者,亲戚亲戚朋友 还能能想看 ,OPC UA在整个OICT融合中扮演了非常重要的角色,而将会OPC UA基金会的公益性、IEC62451标准等原困,使得OPC UA获得了全球最主要的自动化厂商的支持,目前OPC UA基金会是最为活跃,规模达到1500多厂商的全球性标准化组织。

2.2 TSN与TSN的角色

相对而言,TSN技术才后来 始于进入产业视野,或者,TSN技术何必 是最近几年才有,最初它是被应用于音频/视频同步的场景,而后来 随着汽车工业中无人驾驶/辅助驾驶技术的能能 ,TSN也被纳入了开发中,而在2012年原有的IEEE1502.1Q成立针对工业互联网的实时性工作组,称为IEEE1502.1TSN。

TSN应用于外理后来 亲戚亲戚朋友 在第一节所谈到语录题:周期性数据否是周期性数据的传输问提,实时否是实时数据的传输问提,原有的标准以太网IEEE1502.3没办法 选者性,或者才开发了各种实时以太网,而今天,采用TSN使得标准以太网具有传输实时性数据的能力,或者,让周期否是周期性数据在同一网络中传输,或者我会大大复杂整个智能集成的工作量,或者变得更为简单。

图8-TSN网络参考

图8是TSN网络参考,与其它网络一样,由IEEE1502.1AS Rev来定义精确的时钟同步,或者采用数据队列的最好的措施进行数据的组织,而不同在于IEEE1502.1Qbu+IEEE1502.3br采用抢占式MAC的最好的措施来对高实时性数据进行传输,而IEEE1502.1Qbv则采用Time Aware Shaper—为高实时数据提供专用的时间通道,而对你這個非实时则采用BestEffort的最好的措施进行传输。

TSN是由一系列技术标准所构成,表1则列出与工业相关的标准、应用领域与名称:

表1-TSN相关子标准

IEEE1502.1Qcc则是针对网络与用户配置的标准,由图9还能能想看 分为集中式用户配置与网络配置,还能能对Qbu、Qbv、QCB等多种机制下的网络进行配置。

图9-基于IEEE1502.1Qcc的网络配置

还能能想看 TSN实际上是为了实现异构数据交互、实时否是实时数据在同一通道中传输而开发的新的数据链路层标准。

将会工业互联网的需求不断增长,智能制造的推进,OPC UA和TSN技术将变得更为迫切与关键。

三、OPC UA TSN架构了未来智能制造网络

在第二节单独对OPC UA和TSN进行了介绍,而正如图1所示,未来,这另另一一三个白多多标准将一并为制造业带来互联的基础。

3.1工业互联网的实现基础

图10显示了OPC UA TSN在整个OSI模型中的位置,或者,实际上何必 没办法 简单,亲戚亲戚朋友 还能能从OPC UA的机制中想看 ,实际上OPC UA包括会话、连接实际上将会将会话层与表示层进行了覆盖,而TSN同样虽然仅指数据链路层,但其网络的机制与配置管理还能能理解为1-4层的覆盖。

图10-OPC UA TSN的网络架构

将会或者我来理解OPC UA TSN,亲戚亲戚朋友 就会发现,实际上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另另一一三个白多多真正的“工业互联网”—Industrial Internet。

图11-基于OPC UA TSN的未来工业通信架构

图11则是整个基于OPC UA TSN的工业互联网架构,亲戚亲戚朋友 还能能想看 ,通过OPC UA在水平方向的不同品牌的控制器的设备还能能被集成,而在垂直方向设备到工厂再到云端都还能能被OPC UA连接。

而TSN则在控制器、控制器与底层传感器、驱动器之间的物理信息传输,OPC UA即可实现与传统的实时以太网结合构成数据的多个维度集成,在未来也还能能通过TSN与OPC UA的集成实现全新的制造现场网络集成。

四、OPC UA TSN技术进展

4.1 OPC UA TSN的标准化系统程序运行运行

OPC UA将会成为IEC标准,并在2017年成为中国国家推荐性标准,在2018年发布了基于Pub/Sub的机制作为OPC UA的补充机制,在Part 13帕累托图由IEC发布。

TSN目前由IEEE标准组织进行标准的制定工作,目前将会完成的情况表如表2。

表2-TSN标准系统程序运行运行-将会完成的包括IEEE1502.1Qbv、Qca,表2为2017年的情况表,要想了解IEEE1502.1标准的系统程序运行运行还能能访问ieee1502.org官方网站获取全版信息。

表2-TSN目前标准进展

4.2产业推进

目前OPC UA和TSN的进展存在研发阶段的多,公开发布产品的较少,2016年德国SPS展上,贝加莱发布了基于OPC UATSN的测试系统,如图12,在该系统中,由150个I/O节点和十个 高清视频所构成的OPC UA TSN网络,对数据进行一次刷新的响应达到1150μS。

图12-基于OPC UA TSN的测试单元

2018年汉诺威展上,包括SIEMENS等众多厂商也始于发布TSN产品。

4.3测试与验证平台

在2018年4月汉诺威展上,由华为联合ABB、B&R、Schneider、ARM等企业一并发布共建OPC UA TSN的测试床的发布会,这代表着IT与OT融合的最新推进,也是OPC UA TSN进入实质阶段的里程碑。

图13-2018年汉诺威展TSN-OPC UA测试床发布

总结

OPC UA与TSN代表了未来工业互联网的技术趋势,也代表着OICT融合的实现道路,本文主要从OT的视角来理解OPC UA和TSN,对于IT端的应用而言,OPC UA TSN提供了访问的便利,或者能能进而产生业务模式的创新,基于边缘计算的产业应用场景,基于云连接的智能优化,以及产业业务模式的转变,真正实现数字化转型。

本文摘自:仪商