当OPC UA遇上TSN,工业网络将会发生什么变化?

2017-04-12 10:15    来源:智慧工业

随着新一轮工业革命的到来,工业网络成为了自动化领域热点。当工程师谈到未来工业自动化时,OPC UA和时间敏感网络(TSN)的结合是一个让人振奋的话题。因为,这两项技术将使工业自动化变得更简单、透明和富有价值。

时间敏感网络TSN

那到底什么是时间敏感网络?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。

PROFINET(图片来源西门子)

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。因此,NI、博通、思科、哈曼、英特尔和赛灵思等一些知名公司联合创立了AVnu联盟,致力于推广适用于工业物联网应用的新以太网标准即时间敏感网络(Time-Sensitive Networking,简称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。

举个例子,电话通讯在原始阶段采用的是端对端连接技术,双方通话时需要电话交换机建立电路连接,每条端到端通话都会占用一条临时专门线路。随着手机和网络的出现,我们就把语音转化为一个个的小数据包,通过互联网传输(即IP电话)。IP电话的好处是多个通信连接可以同时传输,大大降低了成本,同时也扩展了一些的功能。不过通话质量会受到网络好坏的影响而下降。

那么,时间敏感网络就是一种把过去和现在这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不合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。