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資訊頻道工業互聯網成為了熱點—事實上，想要實現“信息互聯”的努力已經有很多年了，然而，這并非易事，因為制造業的細分造成了垂直領域的壁壘，IT試圖訪問OT遇到的障礙超出了大多數人的想象，因此，對于如何突破這些壁壘，我們很有必要了解基礎互聯的問題，必須了解OPC UA和TSN目前正在國際前沿廠商所尋求的面向未來互聯的解決方案。
圖1-金字塔架構到分布式架構
有的專家認為圖1左側為傳統的工廠架構，這一架構將在未來為右側的云計算/邊緣計算架構所替代，其實，集中控制與分布式計算是會共存的，并非非此即彼的對立，然而，無論是哪一種方式，互聯必須得以有效的實現。
1.IT與OT實現融合的障礙在哪里？
在過去推動的進程里，我們聽到最多的是關于底層協議的抱怨，“協議都不開放”、“不知道采集的數據是什么？”、“我們的時間都耗費在了配置參數上”，這種困境使得人們所描繪的美好互聯世界變得讓人煩躁不安—“這真的是我們期望的互聯世界嗎？”。
（1）機器間的協議障礙
現實的工廠遠非理想的世界，有些情況是連通信接口都沒有，而如果有的話，那也經常會不同，有時候，你甚至發現同一家公司的不同代次的產品都存在這樣的連接問題。
（2）語義互操作的障礙
就像英語你可以說“Hello！”表示問候，中文說“你好！”，不同國家的人都會有不同的語言，不同的機器也有不同的語言，就像有的用“英寸”，而另一個采用“厘米”做單位，這些語義之間的差異使得你不能說“A機器走了2英寸，而B機器走了2厘米，他們相同的位移”，盡管從獲得的數據上來說都是“2”，但是，這兩者卻完全不同的尺寸。
（3）多個網絡
對于制造業工廠的CIO來說，最理想的世界肯定是不要那么多網絡協議，也不要那么多網絡接口，更不想為了讓不同的接口和協議進行連接而開發“適配器”以及“協議軟件接口”，這還僅僅是OT端，而IT與OT采用的是非一致的網絡以及網絡層次（ISO-OSI模型）。
IT與OT間的網絡所拼接的組合數會是一個巨大的數字，這使得美好的IT與OT融合在過去的20年里被討論，卻直到今天尚未有效實現互聯。
2.OPC UA-解決語義互操作問題
為了解決互操作也開發了很多標準，就目前而言，聲勢最大也被廣泛認可的是OPC UA，OPC UA基金會屬于非盈利組織，而OPC UA本身也是不為公司掌握的獨立技術，成為IEC62451標準以及中國國家標準，而且在德國工業4.0組織和美國工業互聯網組織IIC均將OPC UA列為了實現語義互操作的標準規范。
圖2是關于為什么采用OPC UA的總結，讀者可以大致了解到它的全局優勢。
圖2-為什么選擇OPC UA？
OPC UA在如圖2中已經描述了它的優勢，但很多人仍然僅僅把它理解為一個通信的規范，而事實上，OPC UA真正的核心在于“信息建模”。
圖3是OPC UA的基礎架構，包括內嵌信息模型、行業信息模型與供應商信息模型幾個層面的信息模型。
圖3-OPC UA解決信息模型問題
信息模型是什么？如果用OPC UA的技術來介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實現機器人與注塑機進行協同的工作的時候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數據來保證他們之間的工作一致性呢？這就是數據的應用問題，而同樣道理，我們希望實現OEE的統計，那么OEE的計算就是一個信息模型，我們需要與之相關的數據，而垂直行業的信息模型則在于具體的包裝、塑料、印刷行業所采集的對象定義不同。
圖4-獲得結構化數據是數據應用的前提
簡單理解信息模型就是為了實現特定任務，而對數據所進行的標準封裝，OPC UA提供了一個如何封裝信息模型的標準，除了已經納入到OPC UA架構下的PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還支持行業自定義的信息模型，OPC UA采用面向對象的思想，使得這些開發變得簡單。
在工業4.0中針對設計、生產、制造各個環節的銜接，必須基于信息的標準與規范才能實現協同，那么，如何定義信息之間的協同標準開發了Administration Shell，而這個管理殼同樣基于OPC UA的規范來設計并實現在各個管理業務單元之間的數據傳輸。如圖5所示。
圖5-OPC UA TSN構成的智能集成架構
3.TSN技術
在圖5中，我們看到了OPC UA也同時看到TSN，盡管目前TSN尚未正式投入大量應用，但主流的IT廠商如CISCO、華為以及自動化業界的主流廠商均參與TSN的開發，并逐漸推出其TSN產品。
3.1TSN產生的背景
要了解TSN推出的意義，就先了解一下目前在網絡通信上的障礙：
（1）總線的復雜性
總線的復雜性不僅給OT端帶來了障礙，且給IT信息采集與指令下行帶來了障礙，因為每種總線有著不同的物理接口、傳輸機制、對象字典，而即使是采用了以太網來標準各個總線，但是，仍然會在互操作層出現問題，這使得對于IT應用，如大數據分析、訂單排產、能源優化等應用遇到了障礙，無法實現基本的應用數據標準，這需要每個廠商根據底層設備不同寫各種接口、應用層配置工具，帶來了極大的復雜性，而這種復雜性使得耗費巨大的人力資源，這對于依靠規模效應來運營的IT而言就缺乏經濟性，因此，長期以來，雖然大家關注，卻很少有公司能夠在這一領域獲得較大的成長。
（2）周期性與非周期性數據的傳輸
IT與OT數據的不同也使得網絡需求差異，這使得往往采用不同的機制，對于OT而言，其控制任務是周期性的，因此采用的是周期性網絡，多數采用輪詢機制，由主站對從站分配時間片的模式，而IT網絡則是廣泛使用的標準IEEE802.3網絡，采用CSMA/CD，即沖突監測，防止碰撞的機制，而且標準以太網的數據幀是為了大容量數據傳輸如Word文件、JPEG圖片、視頻/音頻等數據。
（3）實時性的差異
由于實時性的需求不同，也使得IT與OT網絡有差異，對于微秒級的運動控制任務而言，要求網絡必須要非常低的延時與抖動，而對于IT網絡則往往對實時性沒有特別的要求，但對數據負載有著要求。
由于IT與OT網絡的需求差異性，以及總線復雜性，使得過去IT與OT的融合一直處于困境。
這是TSN網絡因何在制造業得以應用的原因，因為TSN解決了上述幾個障礙：
（1）單一網絡來解決復雜性問題，與OPC UA融合來實現整體的IT與OT融合。
（2）周期性數據與非周期性數據在同一網絡中得到傳輸；
（3）平衡實時性與數據容量大負載傳輸需求
明白這個背景，就會明白TSN為何被OT廠商所共同關注，希望將其引入制造業以解決現實中的融合問題，否則，網絡將成為推動智能制造的第一個難點。
IEEE802.1本身是為了Audio/Video領域而設計的標準，在2005年即成立，并一直致力于開發針對音頻/視頻橋的IEEE802.1AVB標準的開發，由Avnu聯盟負責其兼容性以及市場推廣。
IEEE802.1AVB逐漸受到了其它領域的產業關注，并對此產生興趣，但是，AVB并非是一個適合于所有產業的名字，在2012年IEEE AVB TG被重命名為TSN TG，在2015年Interworking TG與TSN TG合并成為新的TSN任務組。
在智能制造時代，我們說IT與OT融合來實現整個數據透明下的協同制造，但是，對于智能制造而言所遇到的問題卻使得IT與OT的融合產生了諸多的障礙，這包括以下幾個方面
3.2TSN的目標問題
TSN主要解決時鐘同步、數據調度與系統配置三個問題，如圖6：
圖6-TSN網絡所聚焦的三個問題
（1）所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎的問題，TSN工作組開發基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標準IEEE802.1AS-Rev。
（2）數據調度機制：為數據的傳輸制定相應的機制，以確保實現高帶寬與低延時的網絡傳輸。
（3）系統配置方法與標準，為了讓用戶易于配置網絡，IEEE定義了相應的IEEE802.1Qcc標準。
3.3TSN相關標準
TSN目前由IEEE在制定相關標準，IEC也開始將其納入到標準體系中，并與IEEE展開合作，凡是IEEE標準的技術，都將不再屬于某家公司，而是一個統一的標準，供所有人可以去實現和應用，當然，會有一些芯片廠商和技術服務商為大家提供開發支持。
如圖7所示，分布式網絡中的時鐘精確同步是一個基準問題，IEEE針對工業應用對此進行了升級優化使得其更為適應多主的情況，并對冗余能力進行了增強。這項標準為IEEE802.1AS-Rev。
圖7-IEEE802.1AS-Rev的分布式時鐘網絡
3.3.1IEEE802.1Qbv時間感知隊列
TSN的核心在于時間觸發的通信原理，在TSN網絡中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報文序列的傳輸方式，被標準化為IEEE802.1Qbv。其機制如圖9所示。
圖8-IEEE802.1Qbv的傳輸機制
通過時間感知整形器(Time Aware Shaper)概念使得可通過TSN使能交換機來控制隊列報文，以太網幀被標識并指派給基于優先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數據隊列報文的在預定時間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在預定時間窗口里。因此消除了周期性數據被非周期性數據所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，而在TSN網絡的數據報文延時被得到保障。TAS介紹了一個傳輸門概念，這個門有“開”、“關”兩個狀態。傳輸的選擇過程-僅選擇那些數據隊列的門是“開”狀態的信息。而這些門的狀態由網絡時間表進行定義。關閉到非時間表的門是另一種提供對時間嚴苛型報文進行帶寬與延時保障的方法。TAS保障時間嚴苛報文免受其它網絡信息的干擾，它未必帶來最佳的帶寬使用和最小通信延遲。當這些因素非常重要時，搶占機制可以被使用。
圖9-IEEE802.1 Qbv-Time Aware Shaper工作機制
如圖9所示，在網絡進行配置時隊列就分為Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic三種，對于Schedule而言則直接按照原定的配置時間通過，其它則按優先級。Qbv主要為那些時間嚴苛型應用而設計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數據的傳輸，以及其它非實時數據的交換。
3.3.2IEEE802.1Qbu轉發與隊列機制
對于高帶寬的非時間嚴苛型應用而言，Qbu的搶占式方式可以解決其傳輸的問題。當出現優先級更高的數據包傳輸時立即中斷當前傳輸，被中斷的傳輸從中斷點處被重發。
圖10-Qbu的傳輸序列
IEEE 802.1Qbu與IEEE 802.3br（穿插快速報文任務）一同工作于一個標準化的搶占機制上。該標準解決IEEE802.1Qbv所描述的TAS為避免傳輸抖動而在嚴苛型數據幀到來之前鎖存了低優先級序列的問題（在一個最大干擾幀的持續時間內）。在需要預定的消息的最小延遲的情況下，TAS機制可能不是最佳的解決方案。因此，在支持由IEEE 802.1Qbu定義的優先級的鏈路上，可以中斷標準以太網或巨型幀的傳輸，以允許高優先級幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸的被中斷的消息。有幾種用于搶占正在進行的傳輸的通信選項是有利的，例如，以允許即時傳輸預定的消息并確保最小的通信延遲，或者促成
具有大量預定流量的網絡鏈路上的最大帶寬使用率。
圖11-可搶占MAC與快速MAC
如圖11所示，快速幀的MAC數據通道可以搶占Preemptable MAC的數據傳輸。
正在進行的傳輸可以被中斷，報文按等級可被分為可被搶占和搶占幀，搶占生成框架，最小以太網幀受到保護的，127字節的數據幀（或剩余幀）不能被搶占。采用標準以太網PHY。
3.3.3IEEE802.1Qcc系統配置
Qcc用于為TSN進行基礎設施和交換終端節點進行即插即用能力的配置。采用集中配置模式，由1或多個CUC(集中用戶配置)和1個CNC(集中網絡配置)構成。CUC制定用戶周期性時間相關的需求并傳輸過程數據到CNC，CNC計算TSN配置以滿足需求。CUC用于OPC UA Pub/Sub，另一個用于OPC UA C/S，也會有其它用于應用協議如安全。配置采用標準化的配置協議（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果單一設備則CUC和CNC并不牽扯協議。如果CUC和CNC是在分布式網絡，RESTCONF用于他們之間的通信協議。
圖12-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN網絡與用戶配置的協議
圖12顯示了IEEE802.1Qcc的CNC與CUC的配置，對不同的Qbv,Qbu,QCB的配置。
當然了IEEE關于TSN相關的標準還包括其它，可以在IEEE官方網站獲得相關信息。
圖13-貝加萊2017年SPS展展出200 OPC UA TSN演示系統
圖13為2017年紐倫堡SPS展會上貝加萊展出的OPC UA TSN演示系統，針對200個I/O站、5個高清視頻，達到100μS的數據刷新能力。
4.OPC UA+TSN是構成工業互聯網的基礎
如果我們回到最初Internet被創建時的ISO/OSI七層協議模型，我們就會發現，在OPC UA與TSN構成的網絡中，正是實現了這一“Internet”協議的七層結構。
TSN解決的是數據鏈路層的問題，結合標準的以太網物理層，但是，我們去看TSN的參考網絡以及機制可以看到它能支持到網絡交換機制的Network和Transport層的問題，而OPC UA則解決了Session會話層、Presentation表示層與Application應用層的問題。
我們可以把OPC UA TSN理解為一個Internet的工業版協議族，就像當年Internet被創建的時代一樣。
無論技術如何理解，但OPC UA與TSN對于未來的IT與OT融合奠定了基礎，使得過去人們對于IT與OT連接的各種障礙得以獲得一個清晰而可行的解決之道，最終實現工業互聯，在這個基礎上，大數據應用、人工智能分析等才能被實現。
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集團的一個業務單元。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。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號