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OPC UA TSN——邁向工業互聯網新時代

發布于:2019-07-25 16:40:43 編輯:Tiger 文章來源:中福必易  瀏覽:

從現場總線時代到OPC UA TSN 的發展趨勢,工業互聯網影響的不僅是技術,也影響著產業的商業模式。

現場總線時代

在70年代末,現場總線出現,總線技術是伴隨著控制技術而發展的,當大量的儀表信號經過長距離傳輸至中央控制室的時候,帶來了接線的復雜以及干擾,這些為控制系統穩定可靠運行帶來了不便,而現場總線則將這些物理信號數字化,大幅度減少了接線以及數據傳輸的可靠性,并且通過總線,也帶來了配置、診斷與維護的便利。

但是,現場總線實在種類太多,由于各個公司都形成了自身的總線,在歷史上據說“有多少個控制器廠商,就有多少種現場總線”,即使僅以IEC61158標準為參考,也多達18 種,如圖1。

現場總線的差異是巨大的,包括電平、電纜、接頭、終端電阻、網絡拓撲結構、數據幀長度、帶寬、最大節點數、節點間距、校驗位、診斷方式多個維度的差異,這使得現場總線雖然解決了遠程數據采集、分布式控制,但由于總線本身的差異,使得其無法互連。

在2001年,由貝加萊推出了第一個實時以太網技術POWERLINK,采用了通用的以太網技術,這使得基本的帶寬、間距、數據幀、物理信號、連接端子(RJ45或M12)等統一,物理層和數據鏈路層采用了以太網技術,而應用層則采用了廣為使用的 CANopen,所謂“CANopen Over Ethernet”,之后,各家公司分別推出了相應的實時以太網技術,如圖2。

實時以太網技術相對于傳統現場總線,帶寬、節點數、循環周期、時鐘同步都大幅提升,因此更為適應于分布式控制,而且以太網數據幀較大,適合于較大的數據容量。

但是,隨著智能制造的推進,對于制造“協同”有著更高的要求,而這個時候就需要在不同的機器間進行溝通,而各個機器所采用的卻非相同的通信協議,這使得需要實現“語義互操作”,即在異構網絡間進行語義的統一標準與規范的構建,而另一方面,網絡對于IT與OT的數據融合有了新的要求,IT數據更強調容量、安全(Security),而OT則強調確定性、安全(Safety)、穩定與可靠,如何實現這兩種數據網絡的融合,并在語義層定義規范與標準,這是OPC UA 之所以被推進的原因。工業界將聚焦點放在了OPC UA +TSN的融合上,如圖3。

OPC UA TSN=工業互聯網

參考一下Internet協議族,我們會發現,OPC UA TSN解決了整個 Internet幾個層級的問題,TSN解決了1+2層的協議問題,而OPC UA TSN則解決了采用通用的Internet進行傳輸的問題,也即,OPC UA TSN 解決了Internet對應在工業領域的七層架構問題,在解決實時數據與非實時數據傳輸時,TSN采用了VLAN技術,而當無需進行實時性傳輸時的數據則采用IP、TCP方式來傳輸,OPC UA對于底層的網絡傳輸方式支持各種應用層協議,http(s)、UADP等,以及OPC UA C/S模式、Pub/Sub模式(IEC62451-Part13),整體架構如圖4所示.

而OPC UA在這里最為關鍵的是 OPC UA信息模型,以及OPC UA設備特定行規的定義,這是OPC UA的角色。

互聯網將改變自動化世界開放的世界互聯,才能使得制造業分享來自于互聯網世界豐富的資源:

·基礎設施資源:由于互聯網的發展,存儲、網絡傳輸均已經大量發展,進而變得成本低廉,尤其是今天的移動終端已經完全可以代替過去的 HMI來為工程師顯示現場的狀態。

·豐富的軟件資源:豐富的仿真、建模軟件、開源技術、人工智能、機器視覺、智能傳感器技術為自動化帶來更多的低成本資源。

OICT融合帶來全局優化

· 通過工業互聯技術,實現 OICT的融合,使得整個制造業可以實現更為廣泛的生產效能提升。協同制造:通過設備間的互聯,消除中間浪費環節、縮短工藝切換時間等可以提高生產整體效率,尤其是在個性化制造時代,壓縮工藝切換的時間對于提升生產效率,降低成本至關重要。

·邊緣計算:通過OPC UA TSN 對現場數據的獲取,可以實現對全局的優化,邊緣計算主要基于策略性、規劃、調度性問題而產生,由于今天 IT技術的網絡傳輸、存儲、計算、數據處理能力使得過去難以實現的優化得以實現。

商業模式即將改變

·全生命周期服務:機器制造商可以為客戶提供基于數據驅動的服務,包括預測性維護、工藝設計能力租賃、基于時間的服務租用等延伸性的服務,更為緊密的發揮自身的技術能力,獲得盈利,而對用戶也降低了自身的資源消耗。

·低成本運營:基于分布式計算工業云服務與應用APP,用戶無需部署自己的高昂費用的基礎設施,以及購買大量的軟件,而僅需通過低廉的成本購買或租用APP的使用權,來讓自己的公司輕資產運行。

互聯網帶給我們的不僅僅是連接,也會帶來業務模式的變化。



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