有关OPC UA over TSN的常见问题解答

• 2019 年 11 月 6 日
• 筆記

本文转载自公众号贝加莱工业自动化

近来，似乎每个人都在谈论OPC UA和TSN。但是，对于许多机械制造商和工厂操作员而言，目前尚不清楚在自己的设备和设施中使用这些技术将获得哪些具体优势。

为了阐明问题，我们邀请网络专家Stefan Bina回答了有关OPC UA over TSN及其在未来工业物联网通信中的作用的一些最重要的问题。

连接和工业物联网

为什么OPC UA over TSN是必需的？

OPC UA over TSN得到了所有主要的自动化供应商的支持。这将确保其在今天和未来的所有相关工业应用场景中拥有跨厂商互操作性。

OPC UA over TSN可以实现安全设计的模块化机器概念和工厂层面的柔性化生产架构。这些将帮助用户精简其机器和工厂，实现经济的批次为1生产。此外，用户还可以安全地对制造过程进行深入理解，实现持续的性能优化和预测性维护 – 而不会影响机器运行。

OPC UA over TSN是100%开放，更高速，更安全。它可以增强您的创新能力，提高OEE，降低TCO，简化调试和维护。

为什么首先需要OPC UA？

今天的专有现场总线系统使用原始数据进行通信 – 只用0和1。如果没有相应的表，网络上的设备将不知道如何解释该数据。这样就无法实现工业物联网（IIoT）所需要的那种无缝通信。

通过其信息模型，OPC UA用语义描述丰富了原始数据。这些语义描述给出了语境和意义，因此任何接收该信息的设备或人员都可以正确地解释它，而无需任何进一步说明。

OPC UA提供所谓的方法，可以实现资产间的直接交互。机器可以相互查询，找出它们各自提供什么种类的服务、接口和功能，从而使它们可以更有效、更自主地进行交互。

有关OPC UA信息模型以及为什么需要语义的更多信息，请访问OPC基金会网站。

为什么必须将OPC UA与TSN结合使用？

TSN的确定性使机器对机器的OPC UA通信可以更好地实现多厂商工厂的同步。机器内部的设备级通信也是如此。

OPC UA提供了一种标准化的数据构造方式。它可以为任何种类的资产添加语义，并以安全的方式使用它。TSN是基础设施，OPC UA得以在这一高速公路上以确定性方式行驶。

如果没有OPC UA over TSN提供的这种互操作性，这些多厂商通信就将必须进行硬编码 – 这不仅增加了过高的开发成本，而且还会抵消柔性方面的任何收益。最重要的是，OPC UA over TSN可以确保在不干扰机器运行的情况下对其进行连续不断地深入理解。

OPC UA over TSN在工业物联网应用中扮演什么角色？

工业物联网是数据驱动型 – 信息是其命脉。OPC UA over TSN将OPC UA信息模型的语义自描述延伸至现场层，从而在可用的信息池中添加了大量传感器、执行机构和其它自动化设备。

工业物联网使我们能够设计高效率和高效益的生产流程，它不仅成本较低，而且还较易调试和维护。它还可以确保对产品进行大规模定制将变得有利可图。

为了实现这些愿望，今天的生产线将需要转换为柔性生产单元，对其内部运行情况进行连续不断地深入理解。这种深入理解结合巧妙的算法 – 甚至是人工智能 – 将为持续性的性能优化和预测性维护提供动力。

从传感器到云端的OPC UA。

互操作性

为什么二十多年来没有网络互操作性突然它却变得很重要？

的确，没有它我们也一路走来。但是，要将自动化推向新水平，实现信息交换、制造数字化、智慧工厂和自主运营 – 互操作性是必不可少的垫脚石。

互操作性带来了速度、柔性和成本效益的提高，没有它就不可能实现工业物联网所需的高级数据采集、分析和优化。

如何提供从传感器到云端的互操作性？

作为思考通信系统的框架，OSI参考模型将其分为七个概念层 – 从连接器和电缆一直到用户界面。

为了确保无缝的网络互操作性，需要在所有这七个层上都实现互操作性。OPC UA可在第5至7层上提供安全的信息互操作性，从而允许从传感器到云端进行安全的纵向通信。通过通用的IT标准可确保第3和4层上的互操作性。第1层由以太网标准覆盖。

作为拼图的最后一块，时间敏感网络（TSN）为第2层即数据链路层带来了互操作性。这样就可以使用OPC UA在融合的OT/IT网络中以前所未有的性能实现精确的实时应用。

生态系统和标准化

谁负责OPC UA over TSN的标准化？

OPC UA本身由OPC基金会开发和制定标准。TSN标准由IEEE 802.1工作组负责。为了以统一、开放的方式实现OPC UA与TSN和相关应用协议的结合，OPC基金会发起了新的“现场级通信”倡议。工作倡议的负责人是Peter Lutz，他将领导并推进倡议发展和规范开发。

这项技术将把跨厂商、端到端互操作性引入到所有工业自动化领域中使用的现场级设备中。现场设备及工厂集成将进一步巩固OPC基金会作为全球工业互操作性标准推动者的角色。OPC基金会当前对统一功能进行的标准化工作包括I/O、运动和安全应用。

OPC基金会现场通信专家指导委员会由来自自动化行业的24家领先的技术提供商组成，包括ABB、倍福、博世力士乐、贝加莱、思科、赫优讯、赫斯曼、华为、英特尔、Kalycito、库卡、三菱电机、莫仕、欧姆龙、菲尼克斯电气、皮尔兹、罗克韦尔自动化、施耐德电气、西门子、TTTech、万可和横河。有越来越多公司一直在加入，最近加入的公司包括摩莎和穆尔电子。

在2018年SPS IPC Drives展会上，所有主要的自动化公司的代表共同宣布，他们将使用OPC UA over TSN作为工业物联网中的统一通信标准（前排从左至右）：Thomas Pilz（皮尔兹）、Heinrich Munz（库卡）、 Sebastian Hilscher（赫优讯）、André Uhl（施耐德电气）、Thomas Burke（OPC基金会）、Stefan Hoppe（OPC基金会）、Matthias Damm（Unified Automation）、Martin Müller（菲尼克斯电气）、Soheil Daniel Amirsadeghi（莫仕）、Oliver Kleineberg（百通赫思曼）、Georg Kroiss（TTTech）；（后排从左至右）：Seiichiro Takahashi（横河）、Bhagath Singh Karunakaran（Kalycito）、Satoshi Kojima（欧姆龙）、Thomas Brandl（博世力士乐）、Charlie Sheridan（华为）、Bernhard Eschermann（ABB）、Paul Brooks（罗克韦尔自动化）、Matthias Gärtner（西门子）、Stefan Schönegger（贝加莱）、Gerd Hoppe（倍福）、Takayuki Tsuzuki（三菱电机）、Thomas Hahn（西门子）、Thomas Hüttemeier（万可）。图片来源：OPC基金会

TSN成为IEEE 802.1标准的一部分，我如何受益？

实时通信对于实现工业自动化功能至关重要，例如设备级控制、运动控制、机器视觉和机器对机器（控制器到控制器）控制。而标准以太网从未被设计为确定性网络，因此专有的现场总线系统各自执行自己的机制来实现确定性行为。TSN现已将IEEE 802以太网扩展为包括实时通信，因而可以提供统一的标准来满足工业自动化要求。

TSN还使网络融合成为可能，允许同一网络同时管理非确定性IT通信和确定性OT通信，例如机器控制和安全。未来，TSN标准将成为主流以太网芯片的标准特性。

有关更多信息，请参见Wikipedia和IEEE网站。

性能

我可以从OPC UA over TSN获得怎样的性能？

该技术能够处理超过10000个网络节点，从10 MB扩展到10 GB甚至更多。贝加莱专门进行了测试，在200个远程I/O总线耦合器（总共10000个I/O点）的网络中，实现循环时间低于50微秒，抖动小于±100纳秒。这与OPC UA over TSN宣称的“比现今最快的解决方案快18倍”相一致。

这种性能水平使专有的现场总线网络变得过时。OPC UA over TSN可在单一电缆上实现高性能的运动控制通信和带宽密集型IT通信，且不会造成彼此干扰。

以OPC UA over TSN实现为主题的详细白皮书可从贝加莱网站下载。

网络安全和迁移

OPC UA over TSN是否有助于将工厂和机器网络与我们的IT要求相结合？

OPC UA旨在实现与IT系统的通信。OPC UA over TSN将使您能够在不干扰机器操作的情况下融合OT和IT网络。这要归功于TSN和IT部门所熟悉的OPC UA安全机制的使用，包括用户身份验证和授权、加密和证书处理。

我工厂现有的现场总线是标准化的，切换是否有任何益处？

主要益处在于开放、语义一致、安全和性能。性能方面包括高带宽和确保实时通信。

机器制造商原本需要支持基于TSN的每种主要现场总线，而将OPC UA与TSN机制相结合用于实时现场级通信，将为您提供从传感器到云端的单一跨厂商网络和协议。

例如，终端用户可能会关注融合网络，并且需要使用OPC UA通过MQTT连接到云端。云、ERP和DCS平台如今都支持OPC UA连接器，从而可以简化通信。无论机器的制造商是谁，OPC UA配套规范都允许机器使用标准化的语义以一致的方式描述自己。例如，VDMA机器人配套规范提供了标准化的信息模型，该模型能够以统一的方式呈现所有与机器人相关的信息和功能，而与制造商或位置无关。

ARC顾问集团已经发布了有关该主题的信息简报。

自动化供应商将如何支持OPC UA over TSN？

OPC基金会在支持OPC UA方面表现一直都非常良好。这是参与的供应商选择OPC基金会来开发OPC UA以便通过TSN进行确定性通信的原因之一。

这24家公司有着共同的愿景，全都加入了“现场级通信”倡议的专家指导委员会，一起致力于扩展OPC UA以进行基于TSN的现场级通信，从而实现从传感器到云端的无缝OPC UA通信。

他们支持这一愿景的立场明确，因此可以预期，所有这24家公司都将在接下来的几年中发布带有OPC UA over TSN的自动化产品 – 最早将于2020年推出。这一强劲势头将说服其他厂商和集成商遵循统一通信解决方案这一市场趋势，并为史上最大的互联工业自动化解决方案生态系统做出贡献。

OPC UA over TSN支持哪些拓扑结构？

工业网络中常用的拓扑结构全部支持 – 包括总线型、星型、树型和环型。TSN包括通过电缆冗余、环形或网状拓扑实现无缝、实时冗余的标准机制。

如何配置OPC UA over TSN网络安装？

供应商的开发套件将提供使配置变得简单和自动所需的一切。对于那些选择不使用供应商工具的人来说，必要的配置接口是开放标准，可以使用其它第三方网络工具。

TSN和非TSN OPC UA或普通IP设备可以在同一网络中使用吗？

可以，因为TSN是由标准以太网演变而来。TSN只是增强了标准以太网的实时性，因此可以在同一网络中存在标准以太网设备和TSN设备。

标准以太网设备不需要任何接口或网关即可连接到TSN网络。但是，只有具有TSN功能的设备才能进行实时通信。

TSN与现有现场总线相结合

如何在TSN上运行现有的现场总线协议，例如EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、EtherCAT G或CC-Link IE？

传统的现场总线协议可以共享TSN网络，但是这些设备将不能像OPC UA设备那样进行互操作。这些协议还缺少OPC UA提供的语义和方法。OPC UA具有内置的安全性，它是公认的从传感器到云端通信的国际标准，且在不断向前发展。

关键区别在于系统互操作性：没有它，您将受困于一家厂商和一个自动化解决方案，因而无法与其它系统进行通信或同步。在一个多厂商的工厂中，这意味着您无法确保通信的安全性，无法实现高级功能，例如状态监测、产线平衡、预测性维护、机器优化以及即插即用的启动和维护。作为机器制造商，这意味着您将受制于所选供应商具有的创新水平。

可用性

何时会在市场上推出商业化的OPC UA over TSN解决方案？

供应商将在2019年底宣布首批产品，并于2020年初上市。请与您的优先供应商联系，以了解有关其商业化计划的更多信息。