工业互联网发展新趋势——OPC UA TSN

工业通信市场目前由基于以太网的现场总线系统主导。但解决方案之间存在不兼容的问题,且处理多种解决方案会产生高昂的成本,并限制物联网的能力。本文介绍了一种新技术——OPC UA TSN。这种组合提供的通信网络不仅具有高度的确定性和实时性,更重要的是实现了通信网络在网络安全、带宽、互操作性、同步和时延等方面真正独立于设备厂商。因此,OPC UA TSN的出现为工业智能化、数字化带来了巨大的进步。

OPC UA TSN是工业互联网的基础

工业互联网成为了热点—事实上,想要实现“信息互联”的努力已经有很多年了然而,这并非易事,因为制造业的细分造成了垂直领域的壁垒,IT试图访问OT遇到的障碍超出了大多数人的想象,因此,对于如何突破这些壁垒,我们很有必要了解基础互联的问题,必须了解OPC UA和TSN目前正在国际前沿厂商所寻求的面向未来互联的解决方案。有的专家认为图1左侧为传统的工厂架构。

贝加莱借OPC UA TSN，助力智能时代的工业通信——访贝加莱工业自动化技术支持与培训部经理周靖

尽管智能化是一个产业共识,然而,真正推动却并非想象那么简单,而在讨论智能制造的各种实现途径,包括边缘计算、大数据、工业互联网、工业物联网的时候,遇到的第一个问题实际上是连接问题,如果不解决这个问题则无法推进其它问题的实现。

OPC UA TSN:新工业数据通讯解决方案之研究

在工业自动化系统集成中,不同厂商一般都有自己的数据通讯标准和协议。目前工业数据通讯领域由基于以太网的各类现场总线系统主导,虽然它们有着相似的要求和细分市场,但是它们的实施和生态系统差别却很大。价值链中的利益相关者通常在其特定技术的决策方面并不完全一致,因此,终端客户和设备制造商不得不购买和掌握诸多产品和技术,这就大大提高了使用成本。时间敏感网络TSN与OPC UA的结合,能实现从现场层、控制层、管理层直到云端的数据通讯。OPC UA TSN作为独立于某一特定厂商的后继技术,将IT和OT无缝融合到现场总线项目中,可以获得良好的适用性并实现更高水平的自动化配置。我们发现,通过选择正确的一系列功能特性,它能够满足今天和未来的工业通讯要求,同时在中期利用标准以太网硬件的成本优势。由AVB演变而来的TSN网络基础结构同时能够承载各类工业通信,从硬实时到尽力服务,同时保持每种方法的独特属性。OPC UA是针对嵌入式应用的OPC通讯标准的重大发展。被描述为发布/订阅的最新进展则更进一步,旨在为嵌入式设备在较小空间内优化性能。它增加了用于描述数据的源模型,以及用于交换和浏览信息的通讯基础结构。此外,OPC UA还带有一个内置的安全模型,可以根据即将出台的标准如IEC 62443来帮助实施安全系统。我们预计,OPC UA TSN将很快将自身作为工业自动化领域内的游戏规则变革者,成为从传感器到云端建立全面的通讯基础结构的首要也是唯一的候选对象。

面向OPC UA/TSN架构的工业控制网络安全防护研究

OPC UA和TSN作为新一代工业控制网络的核心技术,分别为工业通信提供了灵活的多对多通信模式和通信实时性保证。智能制造作为新一代工业发展的立足点,在传统工业网络架构的基础上打通了从现场控制层到云端的连接,使得原本较为安全的现场设备层面临着严重的安全威胁。文章首先对OPCUA/TSN架构下的工业控制网络架构和现有的工业控制网络安全防护架构进行了介绍,指出现有的安全防护措施不足以保证OPCUA/TSN架构的安全性,分析并指出了OPCUA/TSN架构面临的安全威胁,进而提出了一种设立在现场设备层和现场控制层之间的软硬协同的安全网关防护系统OTS-Gate。

基于OPC UA框架的分布式数据采集系统的构建

随着中国智能制造2025逐步逼近,设备层与制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning,ERP)等上层互联的问题逐渐凸显。为实现智能制造2025,打造工业互联互通,亟需一种新兴的通信协议以及分布式的数据采集平台架构来解决目前的工业互联问题。OPC UA(OPC Unified Architecture)框架是新一代的对象链接与嵌入的过程控制(OLE for Process Control,OPC)通信标准,使用C/S和P/S两种连接机制,通过融合时间敏感网络(Time Sensitive Networking,TSN),不但可以解决历史数据与实时数据在网络中的问题,而且可以解决周期与非周期数据共同传输的问题,还可以平衡实时性与大数据传输的要求。分布式的数据采集系统通过分布式部署与边缘设备连接,打捞“沉底”的设备数据,通过边缘分析将边缘数据送至云端实现真正的数据云梯。

OPC UA-TSN传输时延实验方法

OPC UA是一种能提供高带宽、高互操作性和高实时性的工业通信协议,它定义了一套通用的数据描述和语法表达方法(信息模型),每个系统都可以采用OPC UA的信息模型,从而实现系统间数据交互和互操作。TSN具备时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制,可保证数据传输的实时性。将OPC UA与时间敏感网络(TSN)相结合,可提供一个实时、高确定性通信网络,将对网络带宽、安全性、互操作、延迟和同步等方面得到较大改善。与现有的OPC UA over TSN测试仅关心终端间往返时延问题不同,提出了一种包含电机同步的OPC UA over TSN测试框架,引入实际TSN交换设备以及实际应用。本测试架构聚焦TSN标准(IEEE 802.1AS和IEEE 802.1Qbv)以及OPC UA标准IEC 62541-14《OPC UA统一架构14部分:Pub/Sub发布订阅》在IT/OT融合中的端到端传输时延测试问题,在不同调度机制以及不同负载条件下,测试了交换机连接的不同分布式控制计算机间链路层及应用层端到端传输时延。实验结果表明,时间感知整形器(TAS)能保证时间敏感流不受链路中竞争流量的影响,且即使在最坏条件下,也能提供确定性传输时延保障。

钢厂工业互联网的改进

随着IT技术的发展以及产销一体化、产品全生命周期监管、质量管理、能耗管理等的需求,传统的IT架构的局限性逐渐显示出来,而工业互联网集成云计算、大数据、人工智能、边缘计算等可以解决传统IT架构的缺点,在保证安全的情况下,实现多种数据类型集成与共享,各系统层次互联互通.

基于用于过程控制的对象链接和嵌入统一架构发布订阅的设备横向实时通信实验研究

随着开放式自动化系统的发展,设备间水平实时通信的需求日益增加。OPC UA是一套平台独立面向服务且用于工业通讯的数据交互规范,并提出了发布订阅(PuB/Sub)通信模型,该通信模型可以映射到实时通信网络中。时间敏感网络(TSN)协议为标准以太网提供实时传输能力和兼容其他标准以太网。OPC UA PuB/Sub通信模型与TSN融合,可以满足机器和设备间横向实时通信的需求。搭建了一个基于OPC UA PuB/Sub over TSN的通信实验台,并通过用两台工控机实现电机同步控制来测试基于OPC UA PuB/Sub的设备间的横向通信实时性能,实验结果说明TSN网络能够为基于OPC UA Pubsub的设备间横向通信提供实时性保障。