對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在未來制造業(yè)發(fā)展中的地位已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)毋庸置疑的共識。大量的投入正在這一潛力巨大的領域進行著，然而，目前為止很多尚停留于表面。在終端客戶的需求刺激下，自動化廠商明白所遇到的IIoT第一道檻：基于開放標準的無縫集成。時間敏感型網(wǎng)絡（TSN）與OPC UA的融合提供了高精度確定的機器、控制器、I/O的訪問—并且無需考慮底層是誰家的設備。
OPC UA TSN滿足今天制造業(yè)應用所需的所有通信需求
作為一個開放的協(xié)議，OPC UA已經(jīng)在工業(yè)領域得到廣泛應用。幾乎所有的制造商都在他們的控制器或其它產(chǎn)品中提供了對OPC UA的支持。相應技術(shù)在OPC 基金會統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理下由不同成員進行開發(fā)并推廣。機器與設備的操作者自此無需擔心簡單的通信技術(shù)選擇而被制造商所綁定的潛在風險。
通過標準化的系統(tǒng)連接，他們可以分享相同的訪問技術(shù)并可以聚焦于解決新的挑戰(zhàn)。過去，我們已經(jīng)習慣網(wǎng)絡中有30到40個節(jié)點，而未來我們甚至可以看到達到1000甚至更多節(jié)點在應用中出現(xiàn)。
持續(xù)增長的節(jié)點
挑戰(zhàn)在于尋找如何管理持續(xù)增長的管理與控制的節(jié)點數(shù)量，對于這一挑戰(zhàn)，自動化廠商還需要通過差異化來為其客戶提供附加值獲得機會。因此，用于流水線復雜網(wǎng)絡大量節(jié)點的設置與配置的軟件也變得愈發(fā)重要，這些工具也要能設計的無需復雜的IT培訓即可應用。
除了節(jié)點數(shù)量的高速增長，并且，數(shù)據(jù)量也將以指數(shù)增長，這使得傳統(tǒng)的工業(yè)總線協(xié)議應對如此大量數(shù)據(jù)洪流非常困難，這就是OPC UA承諾進行實質(zhì)性改善的方向。
信息，而非數(shù)據(jù)
OPC UA最大的優(yōu)勢在于信息模型（傳統(tǒng)的總線系統(tǒng)傳輸非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)-沒有如單位、數(shù)據(jù)從屬關(guān)系、讀寫屬性等信息），運行于控制器上的應用知道如何采用眾所周知的方法來解析這些數(shù)據(jù)，如何采用對象字典的查詢方式。
這種方法在機器獨立運行的情況下顯然沒有什么問題，但是，隨著機器的數(shù)據(jù)被其它機器、SCADA系統(tǒng)甚至在基于云技術(shù)的ERP系統(tǒng)應用，這些數(shù)據(jù)傳輸將缺乏語義信息，而僅僅是非結(jié)構(gòu)化數(shù)字。
更少的錯誤
在過去，語義語境通過長的表格甚至手寫的表單傳輸，這一繁瑣乏味的工作，并且經(jīng)常是錯誤的源頭的方法逐漸被OPC UA所替代，使得實現(xiàn)便捷、高效的敏捷制造方案成為了可能。
通過它的信息模型，OPC UA不僅可以傳輸數(shù)據(jù)，而且傳輸?shù)男畔⒖梢员痪W(wǎng)絡上任何節(jié)點正確解析，而無需進一步的解釋。例如：我們有一個測量溫度為5攝氏度的傳感器，按照傳統(tǒng)的議，控制器將接收它作為一個整型數(shù)據(jù)類型，其值為“5”，即，在控制器上它僅被表示為數(shù)值而不包含語義，控制器的應用僅有限的應用它。
OPC UA則采用不同的方法，值“5”是與其語義內(nèi)容一起提供的，攝氏度、上下限、事件也會被提供。
信息需求
由于OPC UA網(wǎng)絡上的節(jié)點也可以查詢這些信息，這使得它可以被更為廣泛的方式來使用。如果你想生成一個ERP報告，ERP系統(tǒng)可以瀏覽網(wǎng)絡來獲得相關(guān)信息。一旦找到，這些信息可以被采集到一個數(shù)據(jù)庫并在報告中瀏覽。過去這些數(shù)據(jù)需要采用手動的方式傳輸，每個單獨值的語義信息都需要存儲在ERP系統(tǒng)中。有了這樣的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，機器上的變量的變化也需要ERP系統(tǒng)中重新編程。
這個例子突出顯示了OPC UA簡化了控制層到更高級別系統(tǒng)的通信，然而，我們遇到了新的障礙，當更高級的IT系統(tǒng)將查詢發(fā)送到機器網(wǎng)絡時（這里我們成為運營技術(shù)或OT），網(wǎng)絡負載不可避免的增加了。
對于IT網(wǎng)絡，毫秒級的延遲是可以接受的，但是，對于高精度的制造過程而言，微秒級是必要的。這種情況下，毫秒級的延遲可能會使得機器關(guān)閉，降低產(chǎn)品品質(zhì)，甚至導致設備對人身的傷害。這是為什么幾乎每個制造商都額外的將IT與OT系統(tǒng)進行獨立運營維護的原因。IT網(wǎng)絡缺乏確定性和周期性數(shù)據(jù)報文傳輸能力-而在OT層面這又是必須的。
一個共享網(wǎng)絡
IT網(wǎng)絡遵循眾所周知的“最大努力傳輸”原則—這意味著數(shù)據(jù)包優(yōu)先級和傳輸是按照盡量快的方式。如果容量在任意節(jié)點超出負載，就會造成瓶頸—然而這在機器網(wǎng)絡里是不允許發(fā)生的。直到現(xiàn)在在一些基礎網(wǎng)絡設施尚不能實現(xiàn)最大努力和周期性數(shù)據(jù)傳輸。隨著TSN的出現(xiàn)，這一問題可以被解決，TSN是以太網(wǎng)標準的延展，將用于解決通用數(shù)據(jù)與時間嚴苛型數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中的傳輸。
第一步對于設備網(wǎng)絡的確定性數(shù)據(jù)傳輸而言是定時與降低時延，IEEE802.1AS-Rev標準被開發(fā)用于實現(xiàn)這一目標。它描述了網(wǎng)絡中所有節(jié)點建立統(tǒng)一網(wǎng)絡時鐘同步的機制。
下一步為了保護確定性數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，這個由IEEE802.1 Qbv和Qba來完成—他們定義了網(wǎng)絡交互必須運行在一種對確定數(shù)據(jù)進行有保障的時間幀中，這意味著其它報文必須等待。
為了建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡配置，流量預留協(xié)議（IEEE802.1Qcc）提供配置的標準接口和機制。TLS之上的NETCOF作為一個配置協(xié)議。
再見-帶寬問題
如果可以融合兩種傳輸機制在一個網(wǎng)絡，這就使得周期性數(shù)據(jù)傳輸和非時間嚴苛型數(shù)據(jù)可以在同一物理層進行傳輸，由于現(xiàn)代產(chǎn)線網(wǎng)絡越來越依賴于千兆網(wǎng)甚或更高，這使得網(wǎng)絡帶寬瓶頸包括傳統(tǒng)現(xiàn)場總線的，也包括百兆以太網(wǎng)都可以被同時解決。
OPC UA和TSN的融合將成為新的工業(yè)自動化架構(gòu)邁向舞臺。這一全新設計的最值得關(guān)注的特性在于它消除了IT與OT網(wǎng)絡的邊界。這不僅使得新的工廠可以被完全連接，也意味著舊的工廠也可以同樣被連接，通過B&R的Orange Box，大量設備可以通過OPC UA被集成到生產(chǎn)網(wǎng)絡，而這對現(xiàn)有的機器無需進行任何改變。
貝加萊積極參與到OPC UA和TSN融合從實驗探索到測試以及產(chǎn)品開發(fā)的各個階段。貝加萊看到了OPC UA TSN為機器與設備運營領域的巨大潛力，因此不遺余力的推動該技術(shù)在實際應用領域的發(fā)展。
貝加萊的OPC UA TSN的原型產(chǎn)品已經(jīng)在測試床與其它IT、OT廠商的產(chǎn)品共同進行互操作測試-這是在IIC組織下進行的。到目前為止，已經(jīng)達到了非常良好的應用結(jié)果。此外，OPC UA會非?？炷軌蛱峁┽槍Ω邔崟r與低抖動的傳輸層。
OPC UA TSN將提供無縫垂直制造連接的方案
作者：貝加萊Open Automation 技術(shù)部經(jīng)理 Sebastian Sachse