OPC UA、TSN和傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)將在未來扮演什么角色?
發(fā)布時間:2021-04-06 來源:Volker E. Goller ADI公司 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】OPC UA通過其地址空間形成通用應(yīng)用接口,而TSN為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)添加實時能力并實現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)速度。因此,通過發(fā)布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術(shù)結(jié)合起來是有意義的,但在工業(yè)4.0的背景下,工業(yè)通信還有其他可能性。在本次采訪中,ADI公司確定性以太網(wǎng)技術(shù)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師Volker Goller提供了一些背景信息。
通過合作實現(xiàn)更大的普適性
OPC UA通過其地址空間形成通用應(yīng)用接口,而TSN為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)添加實時能力并實現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)速度。因此,通過發(fā)布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術(shù)結(jié)合起來是有意義的,但在工業(yè)4.0的背景下,工業(yè)通信還有其他可能性。在本次采訪中,ADI公司確定性以太網(wǎng)技術(shù)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師Volker Goller提供了一些背景信息。
問:在OPC UA TSN系統(tǒng)中,OPC UA和TSN分別承擔(dān)哪些任務(wù)和功能?
答:為了闡明OPC UA的作用,我想引用OPC基金會副總裁Stefan Hoppe的話:“OPC UA不是一種協(xié)議,而是一種信息模型。”他的意思是,OPC UA首先且最重要的是一種信息模型。當(dāng)然,它還是一種用于連接客戶端和服務(wù)器的協(xié)議,但OPC UA的優(yōu)勢在于地址空間,正是這一點使得OPC UA成為通用應(yīng)用接口。OPC UA非常靈活,允許將現(xiàn)有用戶接口(工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的配置文件)映射到OPC UA。因此,現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的幾乎每個配置文件在OPC UA地址空間中都有表示,或者正在開發(fā)以實現(xiàn)其表示。OPC UA尚未明確這些配置文件(I/O、驅(qū)動器、安全等),但很可能會改變。在工業(yè)4.0的框架下,OPC UA被視為未來非常有前途的通用語言。
相比之下,TSN是IEEE-802.1以太網(wǎng)的擴展,具有完整的一系列新能力,旨在讓以太網(wǎng)更具確定性和實時性。因為預(yù)計未來將有眾多制造商生產(chǎn)支持TSN的硬件,所以也可以把它視為實時通信的平民化。幾乎每種協(xié)議都可以通過TSN獲得實時能力。
在此背景下,成立了一個pub/sub工作組,目的是在TSN的幫助下,為OPC UA指定一種實時傳輸協(xié)議。這將使OPC UA具備實時性,從而可以替代工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它將受到傳統(tǒng)PLC以上層次的熱烈歡迎,因為來自不同制造商的控制器將能與OPC UA實時交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網(wǎng)絡(luò)帶寬,因而其魯棒性會比目前所能實現(xiàn)的要更高。
但是,pub/sub不是讓OPC UA具備實時能力的唯一途徑。業(yè)界也在努力開發(fā)一種針對DDS的OPC UA模型,DDS是一種應(yīng)用廣泛且經(jīng)過驗證的實時協(xié)議。這將使得分布式系統(tǒng)的運行具有DDS/TSN能力,并將OPC UA用作應(yīng)用接口。
結(jié)果如何還有待觀察。
問:未來哪些任務(wù)和功能會留給傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和現(xiàn)場總線?
答:傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失。在未來,有些仍會以不同形式存在(作為OPC UA中的配置文件或配置文件系列),有些則將基于TSN。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線將被以太網(wǎng)取代。
問:在OPC UA TSN系統(tǒng)中,除了配置文件級別的OPC UA TSN,傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)可以履行哪些任務(wù)和功能?
答:需要再次澄清,TSN并不會自動實現(xiàn)OPC UA。它們是兩種完全獨立的技術(shù)。OPC UA可以在控制器網(wǎng)絡(luò)(控制器到控制器)中發(fā)揮重要作用。pub/sub與TSN在這里很有優(yōu)勢;它是否也能在現(xiàn)場層面發(fā)揮作用尚有待證實,因為OPC UA不是一個小堆棧,至少如果您希望利用其全部優(yōu)勢,它不會是一個小堆棧。
問:傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的用戶組織如何應(yīng)對TSN挑戰(zhàn)?
答:我想說,所有用戶組織都在響應(yīng)TSN帶來的機會。TSN有望提供更多硬件選擇,尤其是基礎(chǔ)設(shè)施組件,并且實現(xiàn)更高速度,即1 Gbps或更高。最終,我們將看到Profinet® TSN,以及EtherNet/IP® over TSN和OPC UA Pub/Sub。
問:TSN能否支持實時并將周期時間降至31.25μs,在未來甚至可能更低?
答:在100 Mbps的速度,要使周期時間低于250μs,現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將不得不對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進行重大修改。對于非標(biāo)準(zhǔn)方法,例如EtherCAT®甚至Sercos所基于的集總幀協(xié)議,IEEE并不是很友好。這些擴展不大可能被納入TSN標(biāo)準(zhǔn)。
針對您的問題,TSN將達到IEEE定義的極限,即100 Mbps時250μs——至少只要標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP應(yīng)用的真正并行操作必須有效。如需更短的周期時間,通往1 Gbps的道路已開放。
問:TSN如何解決或預(yù)期如何解決安全問題?
答:安全一般運用Black channel原則。安全性定義在實際通信協(xié)議之上。然而,通信信道的可靠性是安全考慮因素之一。TSN不會比今天的系統(tǒng)更不可靠。
問:OPC UA協(xié)議也可以通過傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)傳輸,如時隙或隧道。那么為什么它還需要TSN呢?
答:TSN在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了確定性和實時性。在很多情況下,不同的協(xié)議共存于同一根電纜中。TSN支持在一根電纜中實現(xiàn)實時和“盡力而為”型TCP/IP的穩(wěn)健共存。
問:TSN相對于傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)到底有哪些優(yōu)勢?
答:TSN不是一種新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它是對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的統(tǒng)一擴展,增加了實時能力。我們已闡明其優(yōu)勢:硬件可用性、統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施以及與速度無關(guān)的定義。
問:成本在這里扮演什么角色?
答:可擴展的標(biāo)準(zhǔn)化硬件和基礎(chǔ)設(shè)施有望降低成本并統(tǒng)一技術(shù)訣竅。
問:實現(xiàn)1 Gbps或更高數(shù)據(jù)速率的期望起著什么樣的作用?
答:1 Gbps(及以上)是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的邏輯進展。它是否會取代100 Mbps?不會完全取代,但是 1 Gbps支持新的應(yīng)用,并且可以克服當(dāng)今數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的性能瓶頸。
TSN不是一種新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,而是對標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加實時能力的統(tǒng)一擴展。
作者簡介
Volker E. Goller是ADI公司的一名系統(tǒng)應(yīng)用工程師。他在復(fù)雜運動控制和嵌入式傳感器到時間敏感型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域擁有超過30年的豐富經(jīng)驗。作為一名商用軟件開發(fā)人員,Volker為無線和有線應(yīng)用開發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧,同時積極參與行業(yè)領(lǐng)先組織的新通信標(biāo)準(zhǔn)制定。聯(lián)系方式:volker.goller@analog.com
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