摘要：
大型實(shí)時(shí)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的激增，所涉及的工程的復(fù)雜性和成本也會(huì)相應(yīng)增加。這些挑戰(zhàn)往往需要向集成異構(gòu)協(xié)議格局的需求妥協(xié)。而被稱為時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展與OPC UA相結(jié)合，有望讓這一切得到實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。目前許多測(cè)試平臺(tái)正在測(cè)試OPC UA TSN的實(shí)現(xiàn)。
大型實(shí)時(shí)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)者帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的激增，所涉及的工程的復(fù)雜性和成本也會(huì)相應(yīng)增加。這些挑戰(zhàn)往往需要向集成異構(gòu)協(xié)議格局的需求妥協(xié)。而被稱為時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展與OPC UA相結(jié)合，有望讓這一切得到實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。目前許多測(cè)試平臺(tái)正在測(cè)試OPC UA TSN的實(shí)現(xiàn)。
OPC UA……正在走向?qū)崟r(shí)
近十五年來(lái)，工業(yè)制造依靠各種專有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)快速，可靠的通信。在這段時(shí)間里，工廠和設(shè)備的運(yùn)營(yíng)商經(jīng)常需要面對(duì)這樣的任務(wù)，即，把大量雜亂無(wú)章的協(xié)議整合進(jìn)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)中?！斑@是一項(xiàng)非常耗時(shí)且成本高昂的任務(wù)?！必惣尤R開(kāi)放式自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)理Sebastian Sachse說(shuō)道，“如果所有的機(jī)器都用同一種語(yǔ)言說(shuō)話，情況會(huì)好很多。”
除了不同的協(xié)議之外，制造商還必須應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。配置大型實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，往往會(huì)超出工程工具的極限。而對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的實(shí)施來(lái)說(shuō)，具有數(shù)百個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將變得越來(lái)越普遍。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟
2014年3月，AT＆T，思科，通用電氣，英特爾和IBM等五家公司組成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）。這是一個(gè)非營(yíng)利組織，其目標(biāo)之一是定義參考體系結(jié)構(gòu)和框架，以使互操作性成為可能。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是IIC處理的主要議題之一。其他領(lǐng)域包括醫(yī)療保健，交通和金融。IIC不是自己制定標(biāo)準(zhǔn)，而是與IEEE，IETF，AVNU聯(lián)盟和OPC基金會(huì)等組織合作。
TSN測(cè)試平臺(tái)
“就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)而言，IIC在一個(gè)方向進(jìn)展非常值得關(guān)注：那就是TSN測(cè)試平臺(tái)。 ” Sachse指出，“我們需要的是，使機(jī)器和工廠網(wǎng)絡(luò)更加模塊化、靈活且更易于使用的技術(shù) - 而且市場(chǎng)上大多數(shù)人一致認(rèn)為OPC UA TSN就是這種技術(shù)?！痹贠PC基金會(huì)大力推動(dòng)OPC UA開(kāi)發(fā)的同時(shí)， IIC大量參與了TSN的實(shí)現(xiàn)。
貝加萊很早就認(rèn)識(shí)到TSN的潛力，并加入IIC的共同推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。“該聯(lián)盟是第一個(gè)在現(xiàn)實(shí)條件下開(kāi)始測(cè)試TSN的組織。”Sachse解釋道。自那時(shí)以來(lái)，貝加萊自動(dòng)化專家一直通過(guò)參與TSN測(cè)試平臺(tái)來(lái)幫助推進(jìn)技術(shù)，評(píng)估OPC UA TSN原型與其他成員的互操作性。截至2017年5月，聯(lián)盟成員包括：貝加萊、博世力士樂(lè)、施耐德電氣、美國(guó)國(guó)家儀器、庫(kù)卡、德國(guó)西克、思科、英特爾、百通/赫思曼、德國(guó)赫優(yōu)訊、瑞薩電子、ADI、TTTech和賽靈思。另外還有其他的參與者，包括：Calnex、Ixia、ISW斯圖加特大學(xué)和菲尼克斯電氣。
核心TSN功能的連續(xù)測(cè)試
TSN是以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的延伸，并帶來(lái)了許多改進(jìn)，使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性。測(cè)試平臺(tái)成員先后專門(mén)對(duì)三個(gè)核心功能進(jìn)行了測(cè)試，包括：時(shí)間同步、流量調(diào)度（精確定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包和幀）以及使用中央網(wǎng)絡(luò)配置器（CNC）進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)的配置。
根據(jù)TSN標(biāo)準(zhǔn)：802.1AS-Rev，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工業(yè)通信的TSN的基本要求是進(jìn)行時(shí)間同步。該TSN標(biāo)準(zhǔn)包括精確時(shí)間協(xié)議（PTP）的定義，該協(xié)議同步網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的時(shí)鐘。在測(cè)試設(shè)置中，PTP的精度要求在100納秒以內(nèi)，超出了預(yù)期。
在測(cè)試平臺(tái)的插件中評(píng)估的第二個(gè)核心TSN功能是在IEEE 802.1Qbv的數(shù)據(jù)分組和幀的傳輸。時(shí)間感知調(diào)度程序確保對(duì)實(shí)時(shí)要求嚴(yán)格的數(shù)據(jù)始終進(jìn)行優(yōu)先排序，以避免其受到一般網(wǎng)絡(luò)流量的影響。
動(dòng)態(tài)配置
初始插件中使用的網(wǎng)絡(luò)具有靜態(tài)配置。目前的測(cè)試正在檢驗(yàn)IEEE 802.1Qcc中定義的動(dòng)態(tài)配置。當(dāng)一個(gè)新的設(shè)備被添加到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，它會(huì)向中央網(wǎng)絡(luò)配置器提請(qǐng)注冊(cè)，中央網(wǎng)絡(luò)配置器會(huì)為它建立與其他設(shè)備的連接，并相應(yīng)地重新配置網(wǎng)絡(luò)。
TSN的各個(gè)組成部分完美地協(xié)同工作 - 不僅在理論上，而且在現(xiàn)實(shí)的測(cè)試中 - 都將實(shí)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)組件的實(shí)時(shí)通信。TSN測(cè)試平臺(tái)目前由兩個(gè)體系組成，一個(gè)位于德克薩斯州奧斯汀的美國(guó)國(guó)家儀器，另一個(gè)位于德國(guó)埃爾巴赫的博世力士樂(lè)。2017年4月，德國(guó)協(xié)會(huì)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)工業(yè)4.0（LNI 4.0）宣布計(jì)劃與奧格斯堡的Mittelstand 4.0能力中心合作建立自己的TSN測(cè)試平臺(tái)。Mittelstand 4.0是德國(guó)支持德國(guó)中小企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的舉措。
該團(tuán)隊(duì)設(shè)想可以通過(guò)卡車(chē)運(yùn)輸?shù)囊苿?dòng)演示。雖然他們的方法不同，但I(xiàn)IC和LNI 4.0共同的目標(biāo)是：100％的互操作性。這兩項(xiàng)舉措之間的合作已經(jīng)在規(guī)劃中。 貝加萊還將參與LNI測(cè)試平臺(tái)。
即插即生產(chǎn)
“IIC測(cè)試平臺(tái)清楚地表明了創(chuàng)新周期如何縮短?！盨achse說(shuō)道。這個(gè)測(cè)試平臺(tái)的準(zhǔn)備工作在兩年前才開(kāi)始，第一個(gè)核心功能已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)成熟度。“對(duì)于一個(gè)全新的技術(shù)來(lái)說(shuō)，速度非常快?！?br> 市場(chǎng)正在發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變。過(guò)去，控制系統(tǒng)供應(yīng)商曾經(jīng)試圖通過(guò)自己的通信技術(shù)來(lái)凸顯自己的特點(diǎn)?！澳切┤兆右呀?jīng)成為過(guò)去，”Sachse說(shuō)道。OPC UA TSN將作為控制器層以上無(wú)縫通信的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
隨著新獲得的互操作性，所謂調(diào)試將僅僅是插入網(wǎng)絡(luò)電纜這么簡(jiǎn)單?！皻g迎來(lái)到即插即生產(chǎn)的時(shí)代，”Sachse微笑著說(shuō)。
“我們需要的是使機(jī)器和工廠網(wǎng)絡(luò)更加模塊化，靈活且更易于使用的技術(shù) - 而且市場(chǎng)上大多數(shù)人一致認(rèn)為OPC UA TSN就是這種技術(shù)?！?——貝加萊開(kāi)放式自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)理Sebastian Sachse
OPC UA TSN使機(jī)器和工廠網(wǎng)絡(luò)更加模塊化，靈活且易于使用。
貝加萊開(kāi)放式自動(dòng)化技術(shù)經(jīng)理Sebastian Sachse