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OPC UA TSN--从现场到云端

对于工业物联网在未来制造业发展中的地位已经成为产业毋庸置疑的共识。大量的投入正在这一潜力巨大的领域进行着,然而,目前为止很多尚停留于表面。在终端客户的需求刺激下,自动化厂商明白所遇到的IIOT第一道槛:基于开放标准的无缝集成。时间敏感型网络(TSN)与OPC UA的融合提供了高精度确定的机器、控制器、I/O的访问—并且无需考虑底层是谁家的设备。


OPC UA TSN满足今天制造业应用所需的所有通信需求


作为一个开放的协议,OPC UA已经在工业领域得到广泛应用。几乎所有的制造商都在他们的控制器或其它产品中提供了对OPC UA的支持。相应技术在OPC 基金会统一协调管理下由不同成员进行开发并推广。机器与设备的操作者自此无需担心简单的通信技术选择而被制造商所绑定的潜在风险。


通过标准化的系统连接,他们可以分享相同的访问技术并可以聚焦于解决新的挑战。过去,我们已经习惯网络中有30到40个节点,而未来我们甚至可以看到达到1000甚至更多节点在应用中出现。


持续增长的节点


挑战在于寻找如何管理持续增长的管理与控制的节点数量,对于这一挑战,自动化厂商还需要通过差异化来为其客户提供附加值获得机会。因此,用于流水线复杂网络大量节点的设置与配置的软件也变得愈发重要,这些工具也要能设计的无需复杂的IT培训即可应用。


除了节点数量的高速增长,并且,数据量也将以指数增长,这使得传统的工业总线协议应对如此大量数据洪流非常困难,这就是OPC UA承诺进行实质性改善的方向。


信息,而非数据


OPC UA最大的优势在于信息模型(传统的总线系统传输非结构化数据-没有如单位、数据从属关系、读写属性等信息),运行于控制器上的应用知道如何采用众所周知的方法来解析这些数据,如何采用对象字典的查询方式。


这种方法在机器独立运行的情况下显然没有什么问题,但是,随着机器的数据被其它机器、SCADA系统甚至在基于云技术的ERP系统应用,这些数据传输将缺乏语义信息,而仅仅是非结构化数字。


更少的错误


在过去,语义语境通过长的表格甚至手写的表单传输,这一繁琐乏味的工作,并且经常是错误的源头的方法逐渐被OPC UA所替代,使得实现便捷、高效的敏捷制造方案成为了可能。


通过它的信息模型,OPC UA不仅可以传输数据,而且传输的信息可以被网络上任何节点正确解析,而无需进一步的解释。例如:我们有一个测量温度为5摄氏度的传感器,按照传统的议,控制器将接收它作为一个整型数据类型,其值为“5”,即,在控制器上它仅被表示为数值而不包含语义,控制器的应用仅有限的应用它。


OPC UA则采用不同的方法,值“5”是与其语义内容一起提供的,摄氏度、上下限、事件也会被提供。


信息需求


由于OPC UA网络上的节点也可以查询这些信息,这使得它可以被更为广泛的方式来使用。如果你想生成一个ERP报告,ERP系统可以浏览网络来获得相关信息。一旦找到,这些信息可以被采集到一个数据库并在报告中浏览。过去这些数据需要采用手动的方式传输,每个单独值的语义信息都需要存储在ERP系统中。有了这样的静态结构,机器上的变量的变化也需要ERP系统中重新编程。


这个例子突出显示了OPC UA简化了控制层到更高级别系统的通信,然而,我们遇到了新的障碍,当更高级的IT系统将查询发送到机器网络时(这里我们成为运营技术或OT),网络负载不可避免的增加了。


对于IT网络,毫秒级的延迟是可以接受的,但是,对于高精度的制造过程而言,微秒级是必要的。这种情况下,毫秒级的延迟可能会使得机器关闭,降低产品品质,甚至导致设备对人身的伤害。这是为什么几乎每个制造商都额外的将IT与OT系统进行独立运营维护的原因。IT网络缺乏确定性和周期性数据报文传输能力-而在OT层面这又是必须的。


一个共享网络


IT网络遵循众所周知的“最大努力传输”原则—这意味着数据包优先级和传输是按照尽量快的方式。如果容量在任意节点超出负载,就会造成瓶颈—然而这在机器网络里是不允许发生的。直到现在在一些基础网络设施尚不能实现最大努力和周期性数据传输。随着TSN的出现,这一问题可以被解决,TSN是以太网标准的延展,将用于解决通用数据与时间严苛型数据在同一网络中的传输。


第一步对于设备网络的确定性数据传输而言是定时与降低时延,IEEE802.1AS-Rev标准被开发用于实现这一目标。它描述了网络中所有节点建立统一网络时钟同步的机制。


下一步为了保护确定性数据的优先级,这个由IEEE802.1 Qbv和Qba来完成—他们定义了网络交互必须运行在一种对确定数据进行有保障的时间帧中,这意味着其它报文必须等待。


为了建立统一的网络配置,流量预留协议(IEEE802.1Qcc)提供配置的标准接口和机制。TLS之上的NETCOF作为一个配置协议。


再见-带宽问题


如果可以融合两种传输机制在一个网络,这就使得周期性数据传输和非时间严苛型数据可以在同一物理层进行传输,由于现代产线网络越来越依赖于千兆网甚或更高,这使得网络带宽瓶颈包括传统现场总线的,也包括百兆以太网都可以被同时解决。


OPC UA和TSN的融合将成为新的工业自动化架构迈向舞台。这一全新设计的最值得关注的特性在于它消除了IT与OT网络的边界。这不仅使得新的工厂可以被完全连接,也意味着旧的工厂也可以同样被连接,通过B&R的Orange Box,大量设备可以通过OPC UA被集成到生产网络,而这对现有的机器无需进行任何改变。


贝加莱积极参与到OPC UA和TSN融合从实验探索到测试以及产品开发的各个阶段。贝加莱看到了OPC UA TSN为机器与设备运营领域的巨大潜力,因此不遗余力的推动该技术在实际应用领域的发展。


贝加莱的OPC UA TSN的原型产品已经在测试床与其它IT、OT厂商的产品共同进行互操作测试-这是在IIC组织下进行的。到目前为止,已经达到了非常良好的应用结果。此外,OPC UA会非常快能够提供针对高实时与低抖动的传输层。


OPC UA TSN将提供无缝垂直制造连接的方案


作者:贝加莱Open Automation技术部经理Sebastian Sachse


关于贝加莱


贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业,2017年7月,贝加莱成为ABB集团的一个业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者,贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境,贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神,为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。


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发布时间:2017年12月4日 16:02 人气: 审核编辑:袁博

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