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TSN+OPC UA——到底在工业互联网中起到了什么作用?

2018-08-07 11:53 推荐: 浏览: 121 views 字号:

摘要: 以太网已经成为家庭、企业及数据中心网络连接和互通的最广泛的通信协议标准。然而在工业网络数据传输层面,对网络传输的确定性、实时性、可靠性,要求更高,传统以太网并不适用于工业数据通讯。例如以太网存在的CSMA/CD机制,当网络出现冲突时需不断重发数据,这对于网络...

以太网已经成为家庭、企业及数据中心网络连接和互通的最广泛的通信协议标准。然而在工业网络数据传输层面,对网络传输的确定性、实时性、可靠性,要求更高,传统以太网并不适用于工业数据通讯。例如以太网存在的CSMA/CD机制,当网络出现冲突时需不断重发数据,这对于网络实时性带来挑战;另外,因工业现场面临恶劣的工况、严重的线间干扰等,也导致以太网可靠性大打折扣。

而工业以太网,相较于传统以太网、现场总线等在实时性、传输速率等方面都有明显的改观,并已经占据了以太网市场的半壁江山。

不过,这些专有的工业以太网协议仍然面临瓶颈,虽然它们在满足机器运动控制等方面已经绰绰有余。因为当云计算、大数据技术逐渐渗透到工业领域,工业数据通讯并不再仅限于机器到传感层,也不仅限于机器到机器之间,而是扩展到了与人、云和应用等更丰富的连接,有更多类型和更多海量的数据需要传输和处理,而对于数据处理的链条也变得更长,包括在边缘侧,包括云端,包括与企业生产系统和管理系统的逐步打通。因此,如何应对通过更高带宽进行海量数据的联接和传输,如何做到更精准的确定性控制和更低时延,仍是工业制造面临的巨大挑战。

时间敏感网络TSN

从体质上说TSN是一种企图使以太网具有实时性和确定性的新标准。这里得先提下工业以太网,如EtherCAT、PROFINET等工业以太网协议是从标准以太网协议基础上修改或增加一些特定的功能而成的。这些协议达到了工业控制系统对实时性和确定性的要求,但带宽不足、欠缺互操作性且成本昂贵,无法满足今天工业4.0时代的数据传输要求。

未来工业领域将有数以百亿的设备就连接上网,传统工业以太网根本无法承受巨大的数据传输量,我们需要一个新的以太网标准–TSN,其核心技术包括网络带宽预留、精确时钟同步与流量整形,保证了网络低时延、高可靠性的需求等。时间敏感网络是一种把过去和现在两种通信模式合并的新标准,在以太网引端到端连接技术,实现分组交换网络。这样的合并将使TSN具有高度确定性和实时性通信能力,而物联网设备就可使用标准以太网芯片了。

新一代OPC UA技术

OPC UA已经是工业自动化领域众所周知的通信协议,是应用程序和现场控制系统连接的标准。更重要的是OPC基金会正在大力推动新一代技术OPC UA的开发与应用,原因是OPC UA有能力来解决许多工业4.0和物联网产业相关的通信问题。

其实,OPC UA是OPC基金在原来OPC的基础之上进行了功能扩展,推出一种新的通信方法。在过去,OPC标准以微软公司的OLE技术为基础,需要通过COM/DCOM技术进行连接,这意味着它要依赖于Windows操作系统。OPC UA技术是平台无关的,可在任何操作系统上运行,适用于嵌入式设备和云设施。

此外,OPC UA的信息模型已经进行了改进,通信性能提高,通信范围更广。还有OPC UA的安全性通过设计已经实现,发布者-订阅者模式(Pub/Sub)也将很快实现。OPC UA已经成为连接企业级计算机与自动化设备的桥梁,它弥补了已有OPC的不足,让数据采集、工厂底层与企业之间的通讯更加安全和可靠。

OPC UA TSN实时通信

工业控制要求实时和准确性,而OPC UA在复杂的过程中实时性显得局限。因此OPC基金会正在寻找扩展的办法,而利用时间敏感网络就是其中的一种方法,时间敏感网络标准能给OPC UA赋予实时能力。

这将意味着Profinet将拥抱OPC UA和TSN,TSN和Profinet一样都经过长时间研究和实践。从一开始,Profinet作为开放的具有高准确性的控制网络到后来发展成为与其它以太网并存的标准,这正是TSN希望达到的效果。

这么看来,OPC UA和TSN是不是以后将取代现场总线?事实并非如此。今天的现场总线已经不仅仅是一个普通的通信协议,它可以处理数据访问、诊断、应用配置,预测维护和安全等更多的功能。

不同的工作场所要使用不同的通信协议,就像Profinet不合适连接云端和移动设备,OPC UA不适用于现场级控制通信。但如今有了时间敏感网络TSN,它能把Profinet和OPC UA共享到一个通信设施上,这将一路贯通从现场级、控制级到管理层。

这就是OPC UA与现场总线的关键区别,OPC UA和TSN定为控制级与上层通信的标准。当TSN标准化以后,工业控制系统的通信连接将会变得更轻松。NI与博世、英特尔、库卡机器人、施耐德电气等公司正在联手推动OPC UA TSN网络在工业控制器与云通信的应用,并合作开发了全球首个时间敏感网络(TSN)测试台。如今,物联网正在工业领域快速发展,OPC UA TSN很快就会得广泛的应用。

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中国首席信息安全官


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