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？

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(shí)時(shí)能力并實(shí)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(kuò)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(shí)時(shí)性。因?yàn)轭A(yù)計(jì)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(shí)時(shí)通信的平民化。幾乎每種協(xié)議都可以通過TSN獲得實(shí)時(shí)能力。

在此背景下，成立了一個(gè)pub/sub工作組，目的是在TSN的幫助下，為OPC UA指定一種實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議。這將使OPC UA具備實(shí)時(shí)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?yàn)閬碜圆煌圃焐痰目刂破鲗⒛芘cOPC UA實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)的要更高。

但是，pub/sub不是讓OPC UA具備實(shí)時(shí)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(yàn)證的實(shí)時(shí)協(xié)議。這將使得分布式系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)OPC UA。它們是兩種完全獨(dú)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(shí)，因?yàn)镺PC UA不是一個(gè)小堆棧，至少如果您希望利用其全部優(yōu)勢，它不會是一個(gè)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(jī)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(shí)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(shí)時(shí)并將周期時(shí)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(shí)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(jìn)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(kuò)展不大可能被納入TSN標(biāo)準(zhǔn)。

針對您的問題，TSN將達(dá)到IEEE定義的極限，即100 Mbps時(shí)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(shí)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(yùn)用Black channel原則。安全性定義在實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(kuò)展，增加了實(shí)時(shí)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(kuò)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(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)能力的統(tǒng)一擴(kuò)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(yùn)動控制和嵌入式傳感器到時(shí)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(yàn)。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(shí)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