工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為了熱點—事實上，想要實現(xiàn)“信息互聯(lián)”的努力已經(jīng)有很多年了，然而，這并非易事，因為制造業(yè)的細(xì)分造成了垂直領(lǐng)域的壁壘，IT試圖訪問OT遇到的障礙超出了大多數(shù)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(chǔ)互聯(lián)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(lián)的解決方案。
圖1-金字塔架構(gòu)到分布式架構(gòu)
有的專家認(rèn)為圖1左側(cè)為傳統(tǒng)的工廠架構(gòu)，這一架構(gòu)將在未來為右側(cè)的云計算/邊緣計算架構(gòu)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(lián)必須得以有效的實現(xiàn)。
1.IT與OT實現(xiàn)融合的障礙在哪里？
在過去推動的進(jìn)程里，我們聽到最多的是關(guān)于底層協(xié)議的抱怨，“協(xié)議都不開放”、“不知道采集的數(shù)據(jù)是什么？”、“我們的時間都耗費在了配置參數(shù)上”，這種困境使得人們所描繪的美好互聯(lián)世界變得讓人煩躁不安—“這真的是我們期望的互聯(lián)世界嗎？”。
?。?）機器間的協(xié)議障礙
現(xiàn)實的工廠遠(yuǎn)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(jīng)常會不同，有時候，你甚至發(fā)現(xiàn)同一家公司的不同代次的產(chǎn)品都存在這樣的連接問題。
?。?）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(shù)據(jù)上來說都是“2”，但是，這兩者卻完全不同的尺寸。
?。?）多個網(wǎng)絡(luò)
對于制造業(yè)工廠的CIO來說，最理想的世界肯定是不要那么多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也不要那么多網(wǎng)絡(luò)接口，更不想為了讓不同的接口和協(xié)議進(jìn)行連接而開發(fā)“適配器”以及“協(xié)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(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)層次（ISO-OSI模型）。
IT與OT間的網(wǎng)絡(luò)所拼接的組合數(shù)會是一個巨大的數(shù)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(xiàn)互聯(lián)。
2.OPC UA-解決語義互操作問題
為了解決互操作也開發(fā)了很多標(biāo)準(zhǔn)，就目前而言，聲勢最大也被廣泛認(rèn)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(shù)，成為IEC62451標(biāo)準(zhǔn)以及中國國家標(biāo)準(zhǔn)，而且在德國工業(yè)4.0組織和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC均將OPC UA列為了實現(xiàn)語義互操作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
圖2是關(guān)于為什么采用OPC UA的總結(jié)，讀者可以大致了解到它的全局優(yōu)勢。
圖2-為什么選擇OPC UA？
OPC UA在如圖2中已經(jīng)描述了它的優(yōu)勢，但很多人仍然僅僅把它理解為一個通信的規(guī)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(chǔ)架構(gòu)，包括內(nèi)嵌信息模型、行業(yè)信息模型與供應(yīng)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(shù)來介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實現(xiàn)機器人與注塑機進(jìn)行協(xié)同的工作的時候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數(shù)據(jù)來保證他們之間的工作一致性呢？這就是數(shù)據(jù)的應(yīng)用問題，而同樣道理，我們希望實現(xiàn)OEE的統(tǒng)計，那么OEE的計算就是一個信息模型，我們需要與之相關(guān)的數(shù)據(jù)，而垂直行業(yè)的信息模型則在于具體的包裝、塑料、印刷行業(yè)所采集的對象定義不同。
圖4-獲得結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提
簡單理解信息模型就是為了實現(xiàn)特定任務(wù)，而對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)封裝，OPC UA提供了一個如何封裝信息模型的標(biāo)準(zhǔn)，除了已經(jīng)納入到OPC UA架構(gòu)下的PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還支持行業(yè)自定義的信息模型，OPC UA采用面向?qū)ο蟮乃枷?，使得這些開發(fā)變得簡單。
在工業(yè)4.0中針對設(shè)計、生產(chǎn)、制造各個環(huán)節(jié)的銜接，必須基于信息的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范才能實現(xiàn)協(xié)同，那么，如何定義信息之間的協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了Administration Shell，而這個管理殼同樣基于OPC UA的規(guī)范來設(shè)計并實現(xiàn)在各個管理業(yè)務(wù)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。如圖5所示。
圖5-OPC UA TSN構(gòu)成的智能集成架構(gòu)
3.TSN技術(shù)
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(yīng)用，但主流的IT廠商如CISCO、華為以及自動化業(yè)界的主流廠商均參與TSN的開發(fā)，并逐漸推出其TSN產(chǎn)品。
3.1TSN產(chǎn)生的背景
要了解TSN推出的意義，就先了解一下目前在網(wǎng)絡(luò)通信上的障礙：
?。?）總線的復(fù)雜性
總線的復(fù)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(wǎng)來標(biāo)準(zhǔn)各個總線，但是，仍然會在互操作層出現(xiàn)問題，這使得對于IT應(yīng)用，如大數(shù)據(jù)分析、訂單排產(chǎn)、能源優(yōu)化等應(yīng)用遇到了障礙，無法實現(xiàn)基本的應(yīng)用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，這需要每個廠商根據(jù)底層設(shè)備不同寫各種接口、應(yīng)用層配置工具，帶來了極大的復(fù)雜性，而這種復(fù)雜性使得耗費巨大的人力資源，這對于依靠規(guī)模效應(yīng)來運營的IT而言就缺乏經(jīng)濟(jì)性，因此，長期以來，雖然大家關(guān)注，卻很少有公司能夠在這一領(lǐng)域獲得較大的成長。
?。?）周期性與非周期性數(shù)據(jù)的傳輸
IT與OT數(shù)據(jù)的不同也使得網(wǎng)絡(luò)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(wù)是周期性的，因此采用的是周期性網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)采用輪詢機制，由主站對從站分配時間片的模式，而IT網(wǎng)絡(luò)則是廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/CD，即沖突監(jiān)測，防止碰撞的機制，而且標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀是為了大容量數(shù)據(jù)傳輸如Word文件、JPEG圖片、視頻/音頻等數(shù)據(jù)。
（3）實時性的差異
由于實時性的需求不同，也使得IT與OT網(wǎng)絡(luò)有差異，對于微秒級的運動控制任務(wù)而言，要求網(wǎng)絡(luò)必須要非常低的延時與抖動，而對于IT網(wǎng)絡(luò)則往往對實時性沒有特別的要求，但對數(shù)據(jù)負(fù)載有著要求。
由于IT與OT網(wǎng)絡(luò)的需求差異性，以及總線復(fù)雜性，使得過去IT與OT的融合一直處于困境。
這是TSN網(wǎng)絡(luò)因何在制造業(yè)得以應(yīng)用的原因，因為TSN解決了上述幾個障礙：
?。?）單一網(wǎng)絡(luò)來解決復(fù)雜性問題，與OPC UA融合來實現(xiàn)整體的IT與OT融合。
（2）周期性數(shù)據(jù)與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中得到傳輸；
?。?）平衡實時性與數(shù)據(jù)容量大負(fù)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(guān)注，希望將其引入制造業(yè)以解決現(xiàn)實中的融合問題，否則，網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，在2005年即成立，并一直致力于開發(fā)針對音頻/視頻橋的IEEE802.1AVB標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，由Avnu聯(lián)盟負(fù)責(zé)其兼容性以及市場推廣。
IEEE802.1AVB逐漸受到了其它領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)關(guān)注，并對此產(chǎn)生興趣，但是，AVB并非是一個適合于所有產(chǎn)業(yè)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(wù)組。
在智能制造時代，我們說IT與OT融合來實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)透明下的協(xié)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(chǎn)生了諸多的障礙，這包括以下幾個方面
3.2TSN的目標(biāo)問題
TSN主要解決時鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度與系統(tǒng)配置三個問題，如圖6：
圖6-TSN網(wǎng)絡(luò)所聚焦的三個問題
?。?）所有通信問題均基于時鐘，確保時鐘同步精度是最為基礎(chǔ)的問題，TSN工作組開發(fā)基于IEEE1588的時鐘，并制定新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.1AS-Rev。
?。?）數(shù)據(jù)調(diào)度機制：為數(shù)據(jù)的傳輸制定相應(yīng)的機制，以確保實現(xiàn)高帶寬與低延時的網(wǎng)絡(luò)傳輸。
?。?）系統(tǒng)配置方法與標(biāo)準(zhǔn)，為了讓用戶易于配置網(wǎng)絡(luò)，IEEE定義了相應(yīng)的IEEE802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)。
3.3TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
TSN目前由IEEE在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，IEC也開始將其納入到標(biāo)準(zhǔn)體系中，并與IEEE展開合作，凡是IEEE標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，都將不再屬于某家公司，而是一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，供所有人可以去實現(xiàn)和應(yīng)用，當(dāng)然，會有一些芯片廠商和技術(shù)服務(wù)商為大家提供開發(fā)支持。
如圖7所示，分布式網(wǎng)絡(luò)中的時鐘精確同步是一個基準(zhǔn)問題，IEEE針對工業(yè)應(yīng)用對此進(jìn)行了升級優(yōu)化使得其更為適應(yīng)多主的情況，并對冗余能力進(jìn)行了增強。這項標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.1AS-Rev。
圖7-IEEE802.1AS-Rev的分布式時鐘網(wǎng)絡(luò)
3.3.1IEEE802.1Qbv時間感知隊列
TSN的核心在于時間觸發(fā)的通信原理，在TSN網(wǎng)絡(luò)中有“Time-aware Shaper-TAS”概念，這是確定性報文序列的傳輸方式，被標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)幀被標(biāo)識并指派給基于優(yōu)先級的VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數(shù)據(jù)隊列報文的在預(yù)定時間窗口在出口執(zhí)行傳輸。其它隊列將被鎖定在預(yù)定時間窗口里。因此消除了周期性數(shù)據(jù)被非周期性數(shù)據(jù)所影響的結(jié)果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，而在TSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)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(guān)”兩個狀態(tài)。傳輸?shù)倪x擇過程-僅選擇那些數(shù)據(jù)隊列的門是“開”狀態(tài)的信息。而這些門的狀態(tài)由網(wǎng)絡(luò)時間表進(jìn)行定義。關(guān)閉到非時間表的門是另一種提供對時間嚴(yán)苛型報文進(jìn)行帶寬與延時保障的方法。TAS保障時間嚴(yán)苛報文免受其它網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(yōu)先級。Qbv主要為那些時間嚴(yán)苛型應(yīng)用而設(shè)計，其必須確保非常低的抖動和延時。Qbv確保了實時數(shù)據(jù)的傳輸，以及其它非實時數(shù)據(jù)的交換。
3.3.2IEEE802.1Qbu轉(zhuǎn)發(fā)與隊列機制
對于高帶寬的非時間嚴(yán)苛型應(yīng)用而言，Qbu的搶占式方式可以解決其傳輸?shù)膯栴}。當(dāng)出現(xiàn)優(yōu)先級更高的數(shù)據(jù)包傳輸時立即中斷當(dāng)前傳輸，被中斷的傳輸從中斷點處被重發(fā)。
圖10-Qbu的傳輸序列
IEEE 802.1Qbu與IEEE 802.3br（穿插快速報文任務(wù)）一同工作于一個標(biāo)準(zhǔn)化的搶占機制上。該標(biāo)準(zhǔn)解決IEEE802.1Qbv所描述的TAS為避免傳輸抖動而在嚴(yán)苛型數(shù)據(jù)幀到來之前鎖存了低優(yōu)先級序列的問題（在一個最大干擾幀的持續(xù)時間內(nèi)）。在需要預(yù)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(yōu)先級的鏈路上，可以中斷標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或巨型幀的傳輸，以允許高優(yōu)先級幀的傳輸，然后在不丟棄之前傳輸?shù)谋恢袛嗟南ⅰＳ袔追N用于搶占正在進(jìn)行的傳輸?shù)耐ㄐ胚x項是有利的，例如，以允許即時傳輸預(yù)定的消息并確保最小的通信延遲，或者促成
具有大量預(yù)定流量的網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)通道可以搶占Preemptable MAC的數(shù)據(jù)傳輸。
正在進(jìn)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(wǎng)幀受到保護(hù)的，127字節(jié)的數(shù)據(jù)幀（或剩余幀）不能被搶占。采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)PHY。
3.3.3IEEE802.1Qcc系統(tǒng)配置
Qcc用于為TSN進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和交換終端節(jié)點進(jìn)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(wǎng)絡(luò)配置)構(gòu)成。CUC制定用戶周期性時間相關(guān)的需求并傳輸過程數(shù)據(jù)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(yīng)用協(xié)議如安全。配置采用標(biāo)準(zhǔn)化的配置協(xié)議（TLS上的NETCONF）以及匹配的配置文件（YANG）），如果單一設(shè)備則CUC和CNC并不牽扯協(xié)議。如果CUC和CNC是在分布式網(wǎng)絡(luò)，RESTCONF用于他們之間的通信協(xié)議。
圖12-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置的協(xié)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(dāng)然了IEEE關(guān)于TSN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還包括其它，可以在IEEE官方網(wǎng)站獲得相關(guān)信息。
圖13-貝加萊2017年SPS展展出200 OPC UA TSN演示系統(tǒng)
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(tǒng)，針對200個I/O站、5個高清視頻，達(dá)到100μS的數(shù)據(jù)刷新能力。
4.OPC UA+TSN是構(gòu)成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)
如果我們回到最初Internet被創(chuàng)建時的ISO/OSI七層協(xié)議模型，我們就會發(fā)現(xiàn)，在OPC UA與TSN構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，正是實現(xiàn)了這一“Internet”協(xié)議的七層結(jié)構(gòu)。
TSN解決的是數(shù)據(jù)鏈路層的問題，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層，但是，我們?nèi)タ碩SN的參考網(wǎng)絡(luò)以及機制可以看到它能支持到網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用層的問題。
我們可以把OPC UA TSN理解為一個Internet的工業(yè)版協(xié)議族，就像當(dāng)年Internet被創(chuàng)建的時代一樣。
無論技術(shù)如何理解，但OPC UA與TSN對于未來的IT與OT融合奠定了基礎(chǔ)，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(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，在這個基礎(chǔ)上，大數(shù)據(jù)應(yīng)用、人工智能分析等才能被實現(xiàn)。