眾所周知，以太網(wǎng)已經(jīng)成為家庭、企業(yè)及數據中心網(wǎng)絡(luò )連接和互通的最廣泛的通信協(xié)議標準。然而因為其確定性、實(shí)時(shí)性、可靠性等因素，傳統以太網(wǎng)并不適用于工業(yè)數據通訊。例如以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機制，當網(wǎng)絡(luò )出現沖突時(shí)需不斷重發(fā)數據，這對于網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)性帶來(lái)挑戰;另外，因工業(yè)現場(chǎng)面臨惡劣的工況、嚴重的線(xiàn)間干擾等，也導致以太網(wǎng)可靠性大打折扣。

所以，因為以太網(wǎng)設計之初并非從工業(yè)網(wǎng)應用出發(fā)，促使工控領(lǐng)域的各大廠(chǎng)商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，比如西門(mén)子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、羅克韋爾的Ethernet/IP、還有EtherCAT、Powerlink、CC-Link等等。而工業(yè)以太網(wǎng)，相較于傳統以太網(wǎng)、現場(chǎng)總線(xiàn)等在實(shí)時(shí)性、傳輸速率等方面都有明顯的改觀(guān)。

不過(guò)，這些專(zhuān)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議仍然面臨瓶頸，雖然它們在滿(mǎn)足機器運動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余。

因為當云計算、大數據技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)數據通訊并不再僅限于機器到傳感層，也不僅限于機器到機器之間，而是擴展到了與人、云和應用等更豐富的連接。有更多類(lèi)型和更多海量的數據需要傳輸和處理，而對于數據處理的鏈條也變得更長(cháng)，包括在邊緣側，包括云端，包括與企業(yè)生產(chǎn)系統和管理系統的逐步打通。因此，如何應對通過(guò)更高帶寬進(jìn)行海量數據的聯(lián)接和傳輸，如何做到更精準的確定性控制和更低時(shí)延，仍是工業(yè)制造的巨大挑戰。所以，一個(gè)打破碎片化的通訊協(xié)議，以及統一數據鏈路的服務(wù)標準，對于工業(yè)制造的未來(lái)更為重要。

工業(yè)數據通訊的“大一統”

TSN(時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ))+ OPC UA(OPC統一架構)成為從傳感器到云端建立全面通訊基礎結構的最佳拍檔。

TSN的工作原理是優(yōu)先適用(IEEE P802.3br)機制，在傳輸中讓關(guān)鍵數據包優(yōu)先處理。這意味著(zhù)關(guān)鍵數據不必等待所有的非關(guān)鍵數據完成傳送后才開(kāi)始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，TSN建立了一套能使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性和確定性的新標準。

基于TSN提供的網(wǎng)絡(luò )通信的高確定性和低時(shí)延之上，OPC UA則提供了一個(gè)獨立于平臺的面向服務(wù)的體系架構，它定義了統一的標準和信息模型，可以實(shí)現設備與設備、設備和企業(yè)，以及不同廠(chǎng)商設備之間的交互。

TSN+OPC UA組合提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、高確定性并真正獨立于設備廠(chǎng)商的通信網(wǎng)絡(luò )，將會(huì )在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來(lái)巨大改善。

舉例來(lái)說(shuō)，在工廠(chǎng)數據采集、傳輸與生產(chǎn)運營(yíng)中，都會(huì )需要對現場(chǎng)的機器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數進(jìn)行采集，有了TSN+OPC UA，數據不用再歷經(jīng)PLC控制器、SCADA系統、MES系統…就可以直接連入云端。OPC UA作為一種數據傳輸的統一格式，無(wú)論是傳感器層還是云平臺層都可以部署，保持全棧信息模型的統一。

也就是說(shuō)，TSN+OPC UA就像秦始皇統一度量衡一樣，徹底統一了數據鏈路的服務(wù)標準，也就是徹底統一了工業(yè)界近百種碎片化的通訊協(xié)議。一個(gè)統一的，有效的數據結構，對于數字化社會(huì )發(fā)展的貢獻，絕不亞于秦始皇“書(shū)同文，車(chē)同軌”的舉措。實(shí)現這種大一統之后，必然會(huì )造成一系列顛覆性的連帶反應，傳統工業(yè)的金字塔架構在很大概率上會(huì )被直接打破，變成扁平化結構，不用再經(jīng)過(guò)層層設備，數據獲得可以直接“跳步”貫穿到數據分析和應用。

TSN+OPC UA將IT和OT無(wú)縫融合

當然，TSN+OPC UA組合在工業(yè)領(lǐng)域的應用尚處于起步階段，越來(lái)越多的工業(yè)供應商、ICT廠(chǎng)商和芯片供應商也在共同加快對其測試和驗證。

在剛剛召開(kāi)的2018漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，多家組織和廠(chǎng)商聯(lián)合就展開(kāi)了一場(chǎng)針對TSN+OPC UA場(chǎng)景應用的測試驗證。包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)、Avnu聯(lián)盟、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、Fraunhofer FOKUS、華為、施耐德電氣、和利時(shí)、美國國家儀器(NI)、貝加萊(B&R)、TTTech、思博倫通信(Spirent Communications)等超過(guò)20家國際組織和業(yè)界知名廠(chǎng)商，聯(lián)合發(fā)布了包含六大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN+OPC UA智能制造測試床。

歐洲最大的應用科學(xué)研究機構弗勞恩霍夫協(xié)會(huì )-開(kāi)放通訊系統研究所(Fraunhofer FOKUS)的Alexander Willner博士表示，“自從可編程邏輯控制器(PLCs) 問(wèn)世以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化流程得到了極大優(yōu)化。OT(運營(yíng)技術(shù))與IT(信息與通信技術(shù))之間的融合令人興奮，將帶來(lái)有趣的創(chuàng )新體驗。OPC UA和TSN的結合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以實(shí)現實(shí)時(shí)信息交換和互操作。聯(lián)合測試床中演示的場(chǎng)景展示了我們各自的技術(shù)優(yōu)勢，我們對數字網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)充滿(mǎn)期待�！�

在過(guò)去從現場(chǎng)層、控制層到信息層，最佳方案是采用相似供應商的產(chǎn)品才容易集成和貫通，但是現在，由企業(yè)互相競爭而造成的“人為邊界”已經(jīng)有被打破的跡象，因為無(wú)論產(chǎn)品類(lèi)型、品牌和功能等差異如何存在，都可以輕而易舉地實(shí)現從下到上的貫穿和整合。

當然，業(yè)內對于TSN+OPC UA的追崇并非因其高帶來(lái)的高可靠性、實(shí)時(shí)性那么簡(jiǎn)單，更重要的是，它們通過(guò)改寫(xiě)工業(yè)通訊的底層架構，真正為智能制造轉型打開(kāi)了大門(mén)。

無(wú)論是德國的“工業(yè)4.0”、亦或中國的“中國制造2025”等戰略，其背后的技術(shù)基礎均是物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)啟。而TSN+OPC UA正是打通工業(yè)互聯(lián)最后一公里的關(guān)鍵所在，也是真正實(shí)現OICT融合，加速智能制造的關(guān)鍵所在。

TSN+OPC UA通過(guò)改變工業(yè)數據通訊將會(huì )加速形成成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用和生產(chǎn)體系，因為它帶來(lái)了數據流動(dòng)的暢通無(wú)阻。