工业互联网发展新趋势——OPC UA TSN
2023-06-30 来源：新工业网
传统的工业自动化系统采用自动化金字塔的层次结构，如图1所示。该金字塔主要由五部分组成：最底端的感知器与执行器(Sensors＆Actuators) 、可编程逻辑控制器(PLC)、监控和数据采集(SCADA)、制造执行系统(MES)和企业资源规划(ERP)。
图 1 自动化金字塔示意图
在20世纪70年代，业界提出了该层次结构用来表征当时正在发展的自动化系统的预期复杂性。由于需要观测自动化金字塔中各层级之间的信息交换，同时又缺乏沟通各功能层内部与彼此之间数据传输的通信系统，这刺激了大量工业通信系统的发展。特别是对于实现在较低层次结构上实时交换关键数据，这类任务分配技术得到了不小的进步。这些应用于较低层次的技术现在被概括为运营技术(Operational Technology, OT)。这种基于OT的工业通信系统，诸如 EtherCat、Profinet 和 PowerLink等，其目标为确定性低延迟、低抖动和紧密同步。与此同时，应用于自动化金字塔上层的技术则基于互联网技术，即互联网协议(Internet Protocol, IP)通信，被称为信息技术(Information Technology, IT)。这两者的部署技术通常不同，并且互操作性弱。尽管目前采用的通用策略是使用网关进行通信，但为了推进工业数字化，将这两种要求明显不同的通信理念相互连接已经成为发展的必然趋势。
除了数据传输，自动化系统中信息交换中另一个同样重要的方面是数据建模和提供 跨平台的数据访问。由于通信系统种类繁多，大多数实时协议分属于不同的公司和组织，不可能实现标准的互访问，还需要一个独立于网络的解决方案。开放平台通信(Open Platform Communication, OPC)作为一种中立的建模方法，得到越来越多的设备供应商的支持，并逐渐成为一种普遍接受的信息处理标准。OPC定义了许多纯工业通信系统无法解决的功能，因此为OT和IT层之间的链接提供了新的思路。
尽管 OPC 推动了 OT与IT 融合，工业科学技术也随之发展和进步，但相应的工业生产要求也进一步提高。工业4.0的出现提出了大规模定制和小批量的高效自动化生产要求。同时，工业4.0建立在物联网(Internet of Things, IoT)的基础上，这意味着互联设备从复杂的层次结构转为平面云。结构层次的变化也对工业科学技术提出了新的挑战。而应用这些新技术会产生一种新的自动化架构，称为工业互联网 (Industrial IoT, IIoT)。工业互联网使用更少 的网关和基于IP并且各功能层更统一的通信。典型的自动化相关通信需求，如低延迟、高可靠性、时钟同步、大量设备无缝重新配置(热插拔)，都在功能层上得到了满足。
然而，这样一个更扁平的层次结构需要相 应配套的通信系统。它需要OT和IT方面的共存，特别是在确定性通信方面。此外，工业互联网概念需要对现场设备进行IP访问，但对于传统现场总线系统，这是不可能实现的。而同样对于当今的实时以太网(Real-Time Ethernet, RTE)中的解决方案，OT与IT融合仍然存在一定的困难。为了满足工业互联网的新要求，工业通信需要进一步发展。以太网时间敏感网络(Time-Sensitive Networking, TSN)是IEEE 802.1中最近的一项标准化活动，它将实时功能包含 在以太网标准中，最终将有可能取代当今的工业通信系统。而TSN结合成熟的开放平台通信统一架构(OPC Unified Architecture, OPC UA)有望实现工业互联网和工业4.0的相关要求。
作为工业互联网发展的一个新趋势，OPC UA TSN 提供了更高效的数据传输和处理，实现了更好的实时通信能力。这对于工业领域中需要实时控制和监测的应用来说尤为重要。同时，OPC UA TSN 采用了先进的加密技术和TSN的网络隔离功能，以确保传输的数据的安全性。与OPC相同，作为公认的开放标准，OPC UA TSN保证了在不同厂商和平台之间的互操作性，这为不同设备的互联提供了方便。最后，OPC UA TSN允许不同类型的设备使用不同的通信协议，并可以与不同的云平台和其他系统集成，使企业可以更好地满足其需求并进行个性化配置。
本文将分别介绍 OPC UA 以及TSN，并对二者的结合即 OPC UA TSN 发展现状进行进一步介绍。
一、OPC UA
(一)OPC UA发展历史
多年来，OPC UA 已经在工业自动化系统中得到广泛应用，特别是在自动化金字塔的上层，即ERP、MES和SCADA。它的普及性、增强的实时功能以及可扩展的占用空间使其成为应用于自动化金字塔底层的非常有前途的技术。
OPC的历史可以追溯到四家自动化公司成立的工作组，以微软的技术为基础开发数据访 问(Data Access, DA) 标准。1987 年，作为 Windows 2.0 的一部分，微软引入了动态数据交换(Dynamic Data Exchange, DDE)，允许程序交换数据。三年后，DDE 演变为对象链接和嵌入(Object Linking and Embedding, OLE)。1995年，工作组开始研究使用OLE的DA规范，该规范成为经典OPC的基础。由于经典OPC独立于特定的通信系统，它是将自动化数据引入IT世界的第一个有用的方法。经典 OPC主要用于提供对过程控制和制造数据的实时访问，这使得OPC在设备供应商和自动化解决方案提供商中得到了广泛的支持。然而，由于经典OPC基于微软的分布式组件对象模型(Distributed Component Object Model, DCOM)，这个依赖于平台的特性使经典OPC不适合在跨域场景和互联网上使用。尽管对微软专有概念的依赖一直被视为一个缺点和潜在的威胁，这并没有阻挡OPC迅速发展成为一种流行的标准，并且逐步被应用于将来自较低 OT层的自动化数据输送到 IT 层的工具中。
2006年，OPC UA作为一个独立于公司的标准，基于现代 IT 概念，如web 服务、面向对象模型和更高效的编码和协议，实现了真正的独立解决方案的突破。UA规范作为经典OPC的继承者，是国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC) 的IEC国际标准，即IEC 62541。这个新版本旨在提供更强的互操作性，并消除了对 MS-Windows的依赖性。OPC UA能够在不同的操作系统中运行，例如基于 UNIX 的系统。该规范围绕面向服务的体系结 构(Service-Oriented Architecture, SOA) 构建，并基于 web 服务，使得通过 Internet 实现 OPC 连接更加容易。相比之下，经典OPC在研究团体中并没有引起多大的兴趣，但与互联网连接 的可用性使 OPC UA变得更加有用，并有望取代经典的 OPC。
(二)OPC UA组成与功能
目前，OPC UA 规范由14个部分和若干配套规范组成。这些配套规范通常涵盖了领域 特定的信息模型和状态机的许多用例，例如用于机器臂。OPC UA具有内置的安全性，指定的服务包括警告和状态(Alarms and Conditions, AC)、历史化、服务器聚合和发现。
图 2 OPC UA 构建模块示意图
图2显示了允许未来扩展的规范的模块，保证了基础设施的可伸缩性，并允许以后从不同的软硬件产品进行扩展。各个部分专门用于映射到传输层、信息模型的建模规则以及基础服务。此外，还提供了DA、历史访问(Historical Access, HA)、AC等内置服务。程序(Prog)指定了启动、操作和监视程序执行的机制。其他使用者可以在UA基础服务或OPC信息模型之上构建他们的模型，通过OPC UA 公开他们的 特定信息并以配套规范的形式指定它们的扩展。最后，利用每个引入的层，每个供应商都可以根据自己的业务需求扩展和定制规范。
OPC UA技术主要由三个要素组成：一是可用于定义特定信息模型的元模型或语言；二是设备间数据交换的传输协议规范；三是服务器，用于承载信息模型并实现通信协议，以及进一步指定的服务。与服务器对应的是客户端，与服务器相比，客户端只需要最少的功能集。
就DA而言，OPC UA为客户端、客户端/服务器订阅和发布者/订阅者订阅提供了读/ 写访问。当满足预定义的条件时，订阅的客户端将收到来自服务器的消息。信息模型由一组相互引用的节点组成，其中每个节点可以包含方法、元数据和实际数据。最后，OPC UA为服务器的实现定义了模块，其中每个模块都允许使用特定的服务，例如 HA。因此，通过限制实现的功能集，可以减少资源受限设备的实现占用空间。
二、TSN
(一)TSN发展历史
传统以太网缺乏确定性，主要原因为其本质上是一种共享的传输介质。当来自不同数据源的流量在同一交换设备或路由设备上转发时，它们必须在相应的目标端口队列中排队等待。队列长度取决于网络流量的变化，因此排队时间不可预测，也无法保证确定性。当网络流量过大时，就会发生拥塞。
为了满足确定性延迟的要求，并保留现有以太网的兼容性和优点，2012年，AVB 任务组更名为TSN 任务组，并在AVB 技术的基础上开发了一种新技术——TSN。TSN 标准仅覆盖ISO/OSI模型的第一层和第二层，符合传统以太网802.3标准。TSN任务组的目标是制定标准以实现“有保证的数据传输，具有有限的延迟、低延迟变化和极低的损耗”。为此，TSN已经发布了一组提供不同工具的标准，如图3所示。
TSN 基于一个尽力服务 (best-effort service) 网络，该网络和应用程序之间有一个协议。该协议限制 TSN 流的发送器在一定的带宽范围内工作，即限制最大数据包大小和每个时间间隔的最大数据包数量。作为回报，网络为这些 TSN 流量预留带宽、缓冲区和调度策略，以提供有限的延迟和零拥塞损失。此外，对于属于同一流的数据包，可以通过在节点复制数据包副本后排序并沿着多条路径同时传递的方式，最终在目的地或目的地附近清除多余的副本，只留下单一的数据包，以此完成超可靠的传输。
图 3 TSN 标准项目示意图
(二)TSN 特征与 TSN 相关规范功能 TSN 具有以下三个基本特征：
1. 时钟同步
所有网络设备和主机都可以将其内部时钟同步到1µs到10ns之间。同步是使用IEEE 1588 精 确时间协议的一些变体来完成的。
2. 发射器和网络之间的协定
每个TSN 流都是流的发射器和网络之间达成协定的主体。这使得 TSN 网络能够提供：
(1)有限的延迟和零拥塞损失。拥塞损失，即网络节点中输出缓冲区的数据溢出，是尽力服务网络中丢包的主要原因。通过调整数据包的传递速度并为 TSN 流分配足够的缓冲空间，可以消除堵塞。
(2)超可靠的数据包传输。除了拥塞损失，设备故障也是一个重要的丢包原因。TSN 网络可以通过多个路径发送按顺序编号的数据流的多个副本，并清除在目的地或附近的副本。因为每个数据包都被复制并带到目的地或附近，所以一个设备出现故障不会导致数据包的丢失。
(3)灵活性。可以制定新协议以及终止旧协议。随着TSN流的流动，所有TSN 流能够始终保持正常功能的运行。
3. 与尽力服务兼容
除非TSN 流的需求消耗了过多的特定资源，例如特定链路的带宽，否则 TSN 流量可以进行节奏调整，使设定的“尽最大努力”服务质量实践(如优先级调度、加权公平排队、随机提前丢弃等)仍然以通常的方式运行，除非这些功能可用的带宽被TSN 流量减少。此外，不受 TSN 协定约束的数据可以使用 TSN 流未使用的任何协定带宽。
与 TSN 相关规范的功能如下：
(1)IEEE Std 802.1AS-Rev: “Timing and Synchronization for Time-Sensitive Applications”
(面向时间敏感应用的时序与同步标准)。该标准旨在解决特定冗余和多个时钟域之间的机制问题，例如用于同步传输的工作时钟和用于日志消息的墙上时钟的同时分布。该标准从IEEE 1588(精确时间协议)获得灵感，但在术语、功能和特性方面有明显的差异。
(2) IEEE Std 802.1Qbv:“Enhancements for Scheduled Traffic” (针对定时流量的增强标准)。该标准引入基于时间触发的切换机制，也称为“时间感知整形器”，用于交换机虚拟出口队列之间的切换。该标准需要时钟同步，并为网络中的多种流类型提供精确的有界延迟。结合直通交换和端点的时间触发发送功能，该标准为周期性消息交换提供了尽可能小的端到端延迟。
(3)IEEE Std 802.1Qav:“Forwarding and Queuing Enhancements for Time-Sensitive Streams”(面向时间敏感流量的转发和排队增强标准)。该标准引入了带宽限制，同时为每种流类型提供有限的延迟，主要应用于音频和视频广播领域。
(4)IEEE Std 802.1CB:“Frame Replication and Elimination for Reliability”(面向可靠性的帧复制和消除标准)。该标准提供了复制数据流通过不同通道发送的方法，以及将重复的数据流重新融合为一条单独数据流的方法。该标准用于为环形和网状拓扑提供无缝冗余，相比于传统冗余解决方案，该方法的带宽使用效率更高。
(5)IEEE Std 802.1Qcc:“Stream Reservation Protocol Enhancements and Performance Improvements”(面向流预约协议的增强和性能改进标准)。该标准提供了三个模型来配置其他TSN标准的参数，分别为所有TSN 机制的完全集中式模型、不需要定期更改的完全分布式模型和集中式网络分布式用户模型。
(6)IEEE Std 802.1Qbu: “Frame Preemption” (面向帧中断标准)。该标准允许高优先级帧以64字节的倍数中断低优先级帧的发送，最大限度地提高尽力服务网络流量的吞吐量。
三、OPC UA TSN
TSN和OPC UA可以在几个层面上解决互联网的问题，如图4中所示，它们不仅可以解决工业领域的传输问题，还可以解决互联网的ISO/OSI七层结构问题。OPC UA解决的是会话层、表示层和应用层的问题，而TSN解决的是数据链路层的问题。同时，结合标准以太网的物理层，可以发现TSN还可以解决系统的网络交换机网络层和传输层的问题。在数据传输方面，TSN采用TCP和IP中传输的VLAN技术，解决了1+2以太网层的协议问题。在网络传输模式下，OPC UA 支持http(s)、UADP、Pub/Sub、C/S等应用层协议。综上所述，OPC UA TSN可以被视为互联网协议家族的工业版本，就像互联网刚刚被创建时一样。
(一)工业自动化需求
现场总线提供了许多自动化网络设置和操作的服务。与传统的 PLC 集中控制相比，现场总线不仅简化了布线，实现了分布式控制，同时还尽可能减少了系统诊断和配置的时间。虽然现场总线可以带来很多好处，但也带来了一些问题。同一总线上的设备只能相互连接，不同的总线不能相互连接。各公司母线的技术路线和业务重点不同，这使得母线在物理介质、节点、传输机构和检测方法等许多方面也有很 大差异，这也大大增加了设备互联的难度。
OPC UA不仅能够实现设备的互联互通，还可以将其应用于从设备底层的传感器发展到控制机，甚至到达云端。为了解决横向集成和纵向信息集成两个维度上的语义互操作性问题，OPC UA需要采用统一的标准化定义——“语义信息”，并将共享语义与IT系统进行统一，从而在垂直和水平两个方向上实现统一语义信息的互操作。OPC UA TSN是一种被广泛认可的确定性时钟同步方法，它可以实现无缝集成IT和OT，并将其应用于工业通信项目。它构建了从传感器到云的全面基础通信网络，解决了互联网节点实时性不高的问题。在现代物联网应用场景中，整个工业网络需要多个节点同时接入。目前，只有OPC UA TSN技术可以满足大数据节点高带宽和实时性的特殊要求。
(二)OPC UA TSN 存在的问题
尽管OPC UA TSN能够进一步推动工业智能化进程，但作为一种新兴的技术，OPC UA TSN仍然存在问题。
1. 状态机
工业控制系统由无数相互连接的设备组成，以控制一台机器或一个过程。出于显而易见的原因，工业应用程序运行所需的所有设备都应该在开始生产之前处于运行状态。在工业设备中使用应用程序状态机来管理这一点。在现在的工业体系结构中，在开始生产之前验证设备的可操作性即可，但TSN现在增加了额外的要求，即基础设施设备(即以太网交换机)也必须在发生数据交换之前配置好。
2. 自动配置端点
基于OPC UA TSN设备的供应商面临的挑战之一是为用户提供可靠且易于使用的调试和配置方法。但随着越来越多的工业系统成为攻击者的目标，OPC UA TSN设备也相应地需要增加安全措施。
在调试的过程中，需要完成设备的连线、对接和配置。使用手动和自动方法的组合来初始化系统。通过人的观察来验证网络、设备和系统运行的正确性。一旦投入使用，系统必须实现关机后重新上电时，无须任何人工干预即可恢复运行。
然而TSN为配置增加了额外的复杂性，特别是对于包含嵌入式交换机(桥接端点)的设备。交换机的配置数据不仅影响终端设备，还会影响其他设备之间的通信。因此，配置数据的分 散可能需要分阶段进行，首先到交换机，最后到设备。
作为一种基于OPC UA的工业互联网通信技术，OPC UA TSN能够提供可靠、实时的数据通信服务。而工业互联网旨在将工业设备、系统、传感器等互联起来，从而形成智能化、自动化的工业生态系统。OPC UA TSN为工业互联网提供高效、安全、实时的数据通信服务，使得工业设备、系统之间能够实现智能化协同，从而提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量。
(一)OPC UA TSN试验台
OPC UA规范吸引了全球相关厂商的注意。在 2018年SPS上OPC UA基金会组织了一场媒体会议，旨在共同推动OPC UA TSN的技术推广和实现。全球核心OICT厂商，包括 ABB、华为、西门子、贝加莱、博世力士乐和施耐德等均参与其中。
多家国际知名组织和业内厂商发布了一款包含6种工业互联场景的试验台，可以模拟真实且实质的智能制造场景，并通过智能制造试验台的现场演示，表明其关键技术点是OPC UA TSN的组合。这两种技术的融合不仅大大提高了各行业的工作效率，例如提高设备整体效率、降低总成本和减少停机时间等，还促进了新技术的发展，例如数据分析、人工智能和预测维护。图5是2018年贝加莱在德国 SPS上展出的OPC UA TSN 的融合DEMO。
图 5贝加莱在2018年SPS展会上的OPC UA TSN系统
尽管现今工业互联网得到越来越多的重视，发展也越来越迅速，但在这个过程中也出现了很多问题。由于现场总线与应用协议的多样性和复杂性，IT访问现场需要额外的工作，导致设备与驱动设备的数量增加。然而，OPC UA TSN解决了这些问题。通过OPC UA TSN，可以在传统的实时网络域中保持原有的应用，并可以通过带有OPC UA TSN 接口的网络实现兼容性通信，同时也可以通过OPC UA TSN与第三方网络进行通信，消除工业互联网横向集成中的网 络障碍。此外，在工业互联网的云端应用中，OPC UA和TSN的集成也解决了许多问题，例如端到端、垂直和水平的语义互操作性问题，减少了延迟，解决了VR/AR无法同时传输的问题。OPC UA TSN解决了传统工业现场的传输复杂性问题，从而使得OICT融合在IIoT、智能制造的 推进中得以完美实现。
五、总结与展望
目前，工业互联网的概念在自动化系统中 的应用正在刺激自动化体系结构的变化。具体来说，它要求我们重新思考工业通信系统和处理自动化数据的方式。工业互联网的愿景是建立在互联网技术基础上的扁平通信基础设施，最终形成设备级的IT标准，以满足自动化应用的需求。本文介绍了OPC UA和TSN的历史、二者的特征和功能、它们如何结合起来形成OPC UA TSN，以及其必要性和作用。最后介绍了OPC UA TSN在工业互联网领域中的现实应用。
OPC UA TSN代表了未来工业互联网的发展趋势，也提供了一种实现OT 与IT 融合的方式，同时提高了工业现场信息交互的效率。从IT应用的角度来看，OPC UA与TSN的融合引发了创新商业模式的出现，使网络接入更加便捷，同时也促进了基于工业互联网平台的智能优化、基于边缘计算的应用场景和商业模式的转型，真正实现数字化转型。
作者简介
孙亦非，浙江大学控制科学与工程学院，工学学士，研究方向：工业物联网、OPC UA；
郭苗，浙江大学控制科学与工程学院，学士，研究方向：工业物联网，时间敏感网络；
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