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[导读]OPC UA通过其地址空间形成通用应用接口,而TSN为标准以太网添加实时能力并实现千兆位数据速度。

通过合作实现更大的普适性

OPC UA通过其地址空间形成通用应用接口,而TSN为标准以太网添加实时能力并实现千兆位数据速度。因此,通过发布/订阅(pub/sub)模型将这两种技术结合起来是有意义的,但在工业4.0的背景下,工业通信还有其他可能性。在本次采访中,ADI公司确定性以太网技术部的系统应用工程师Volker Goller提供了一些背景信息。

问:在OPC UA TSN系统中,OPC UA和TSN分别承担哪些任务和功能?

答:为了阐明OPC UA的作用,我想引用OPC基金会副总裁Stefan Hoppe的话:“OPC UA不是一种协议,而是一种信息模型。”他的意思是,OPC UA首先且最重要的是一种信息模型。当然,它还是一种用于连接客户端和服务器的协议,但OPC UA的优势在于地址空间,正是这一点使得OPC UA成为通用应用接口。OPC UA非常灵活,允许将现有用户接口(工业以太网协议的配置文件)映射到OPC UA。因此,现在工业以太网协议中的几乎每个配置文件在OPC UA地址空间中都有表示,或者正在开发以实现其表示。OPC UA尚未明确这些配置文件(I/O、驱动器、安全等),但很可能会改变。在工业4.0的框架下,OPC UA被视为未来非常有前途的通用语言。

相比之下,TSN是IEEE-802.1以太网的扩展,具有完整的一系列新能力,旨在让以太网更具确定性和实时性。因为预计未来将有众多制造商生产支持TSN的硬件,所以也可以把它视为实时通信的平民化。几乎每种协议都可以通过TSN获得实时能力。

在此背景下,成立了一个pub/sub工作组,目的是在TSN的帮助下,为OPC UA指定一种实时传输协议。这将使OPC UA具备实时性,从而可以替代工业以太网协议。它将受到传统PLC以上层次的热烈欢迎,因为来自不同制造商的控制器将能与OPC UA实时交互。TSN还能为OPC UA提供有保证的网络带宽,因而其鲁棒性会比目前所能实现的要更高。

但是,pub/sub不是让OPC UA具备实时能力的唯一途径。业界也在努力开发一种针对DDS的OPC UA模型,DDS是一种应用广泛且经过验证的实时协议。这将使得分布式系统的运行具有DDS/TSN能力,并将OPC UA用作应用接口。

结果如何还有待观察。

问:未来哪些任务和功能会留给传统工业以太网系统和现场总线?

答:传统工业以太网协议不会消失。在未来,有些仍会以不同形式存在(作为OPC UA中的配置文件或配置文件系列),有些则将基于TSN。传统现场总线将被以太网取代。

问:在OPC UA TSN系统中,除了配置文件级别的OPC UA TSN,传统工业以太网系统可以履行哪些任务和功能?

答:需要再次澄清,TSN并不会自动实现OPC UA。它们是两种完全独立的技术。OPC UA可以在控制器网络(控制器到控制器)中发挥重要作用。pub/sub与TSN在这里很有优势;它是否也能在现场层面发挥作用尚有待证实,因为OPC UA不是一个小堆栈,至少如果您希望利用其全部优势,它不会是一个小堆栈。

问:传统工业以太网系统的用户组织如何应对TSN挑战?

答:我想说,所有用户组织都在响应TSN带来的机会。TSN有望提供更多硬件选择,尤其是基础设施组件,并且实现更高速度,即1 Gbps或更高。最终,我们将看到Profinet® TSN,以及EtherNet/IP® over TSN和OPC UA Pub/Sub。

问:TSN能否支持实时并将周期时间降至31.25μs,在未来甚至可能更低?

答:在100 Mbps的速度,要使周期时间低于250μs,现有工业以太网协议将不得不对标准以太网进行重大修改。对于非标准方法,例如EtherCAT®甚至Sercos所基于的集总帧协议,IEEE并不是很友好。这些扩展不大可能被纳入TSN标准。

针对您的问题,TSN将达到IEEE定义的极限,即100 Mbps时250μs——至少只要标准TCP/IP应用的真正并行操作必须有效。如需更短的周期时间,通往1 Gbps的道路已开放。

问:TSN如何解决或预期如何解决安全问题?

答:安全一般运用Black channel原则。安全性定义在实际通信协议之上。然而,通信信道的可靠性是安全考虑因素之一。TSN不会比今天的系统更不可靠。

问:OPC UA协议也可以通过传统工业以太网系统传输,如时隙或隧道。那么为什么它还需要TSN呢?

答:TSN在标准以太网基础上增加了确定性和实时性。在很多情况下,不同的协议共存于同一根电缆中。TSN支持在一根电缆中实现实时和“尽力而为”型TCP/IP的稳健共存。

问:TSN相对于传统工业以太网系统到底有哪些优势?

答:TSN不是一种新的工业以太网协议。它是对标准以太网的统一扩展,增加了实时能力。我们已阐明其优势:硬件可用性、统一基础设施以及与速度无关的定义。

问:成本在这里扮演什么角色?

答:可扩展的标准化硬件和基础设施有望降低成本并统一技术诀窍。

问:实现1 Gbps或更高数据速率的期望起着什么样的作用?

答:1 Gbps(及以上)是当今网络的逻辑进展。它是否会取代100 Mbps?不会完全取代,但是

1 Gbps支持新的应用,并且可以克服当今数据密集型应用的性能瓶颈。

TSN不是一种新的工业以太网协议,而是对标准以太网增加实时能力的统一扩展。

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