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      工業連接和智能傳感論壇
      工業以太網

      OPC UA、TSN和傳統工業以太網系統將在未來扮演什么角色?

        2021年04月06日  

        通過合作實現更大的普適性

        OPC UA通過其地址空間形成通用應用接口,而TSN為標準以太網添加實時能力并實現千兆位數據速度。因此,通過發布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術結合起來是有意義的,但在工業4.0的背景下,工業通信還有其他可能性。在本次采訪中,ADI公司確定性以太網技術部的系統應用工程師Volker Goller提供了一些背景信息。

        問:在OPC UA TSN系統中,OPC UA和TSN分別承擔哪些任務和功能?

        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不是一種協議,而是一種信息模型?!彼囊馑际?,OPC UA首先且最重要的是一種信息模型。當然,它還是一種用于連接客戶端和服務器的協議,但OPC UA的優勢在于地址空間,正是這一點使得OPC UA成為通用應用接口。OPC UA非常靈活,允許將現有用戶接口(工業以太網協議的配置文件)映射到OPC UA。因此,現在工業以太網協議中的幾乎每個配置文件在OPC UA地址空間中都有表示,或者正在開發以實現其表示。OPC UA尚未明確這些配置文件(I/O、驅動器、安全等),但很可能會改變。在工業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以太網的擴展,具有完整的一系列新能力,旨在讓以太網更具確定性和實時性。因為預計未來將有眾多制造商生產支持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議。這將使OPC UA具備實時性,從而可以替代工業以太網協議。它將受到傳統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提供有保證的網絡帶寬,因而其魯棒性會比目前所能實現的要更高。

        但是,pub/sub不是讓OPC UA具備實時能力的唯一途徑。業界也在努力開發一種針對DDS的OPC UA模型,DDS是一種應用廣泛且經過驗證的實時協議。這將使得分布式系統的運行具有DDS/TSN能力,并將OPC UA用作應用接口。

        結果如何還有待觀察。

        問:未來哪些任務和功能會留給傳統工業以太網系統和現場總線?

        答:傳統工業以太網協議不會消失。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。傳統現場總線將被以太網取代。

        問:在OPC UA TSN系統中,除了配置文件級別的OPC UA TSN,傳統工業以太網系統可以履行哪些任務和功能?

        答:需要再次澄清,TSN并不會自動實現OPC UA。它們是兩種完全獨立的技術。OPC UA可以在控制器網絡(控制器到控制器)中發揮重要作用。pub/sub與TSN在這里很有優勢;它是否也能在現場層面發揮作用尚有待證實,因為OPC UA不是一個小堆棧,至少如果您希望利用其全部優勢,它不會是一個小堆棧。

        問:傳統工業以太網系統的用戶組織如何應對TSN挑戰?

        答:我想說,所有用戶組織都在響應TSN帶來的機會。TSN有望提供更多硬件選擇,尤其是基礎設施組件,并且實現更高速度,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,現有工業以太網協議將不得不對標準以太網進行重大修改。對于非標準方法,例如EtherCAT?甚至Sercos所基于的集總幀協議,IEEE并不是很友好。這些擴展不大可能被納入TSN標準。

        針對您的問題,TSN將達到IEEE定義的極限,即100 Mbps時250μs——至少只要標準TCP/IP應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不會比今天的系統更不可靠。

        問:OPC UA協議也可以通過傳統工業以太網系統傳輸,如時隙或隧道。那么為什么它還需要TSN呢?

        答:TSN在標準以太網基礎上增加了確定性和實時性。在很多情況下,不同的協議共存于同一根電纜中。TSN支持在一根電纜中實現實時和“盡力而為”型TCP/IP的穩健共存。

        問:TSN相對于傳統工業以太網系統到底有哪些優勢?

        答:TSN不是一種新的工業以太網協議。它是對標準以太網的統一擴展,增加了實時能力。我們已闡明其優勢:硬件可用性、統一基礎設施以及與速度無關的定義。

        問:成本在這里扮演什么角色?

        答:可擴展的標準化硬件和基礎設施有望降低成本并統一技術訣竅。

        問:實現1 Gbps或更高數據速率的期望起著什么樣的作用?

        答:1 Gbps(及以上)是當今網絡的邏輯進展。它是否會取代100 Mbps?不會完全取代,但是

        1 Gbps支持新的應用,并且可以克服當今數據密集型應用的性能瓶頸。

        TSN不是一種新的工業以太網協議,而是對標準以太網增加實時能力的統一擴展。

        作者簡介

        Volker E. Goller是ADI公司的一名系統應用工程師。他在復雜運動控制和嵌入式傳感器到時間敏感型網絡技術的各種工業應用領域擁有超過30年的豐富經驗。作為一名商用軟件開發人員,Volker為無線和有線應用開發了各種通信協議和堆棧,同時積極參與行業領先組織的新通信標準制定。

      標簽:ADI我要反饋
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