OPC UA TSN對(duì)于智能制造的意義與影響

    最近一直也在研究TSN技術(shù)，包括也與彭瑜老先生一起在微信里進(jìn)行了技術(shù)交流，貝加萊在剛剛結(jié)束的SPS上推出了OPCUA與TSN融合的演示系統(tǒng)，29日參加華為邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟大會(huì)，發(fā)現(xiàn)華為已經(jīng)在架構(gòu)基于TSN的邊緣計(jì)算互聯(lián)方案，這也使得我對(duì)OPCUATSN更多的認(rèn)識(shí)，實(shí)際上我知道很多人還不大了解甚至沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)TSN技術(shù)，而我們期待它已經(jīng)很久了。

    但是，此次我倒不想先講技術(shù)，而先來(lái)分析其意義，這樣，我們才能更愿意談?wù)撨@項(xiàng)技術(shù)。如果你不知道它的意義和價(jià)值，你就很難關(guān)注它。

一、OPCUA的價(jià)值超出我們的想象

    實(shí)際上，如果我們分析智能制造的實(shí)現(xiàn)路徑，我們?cè)噲D通過(guò)IT與OT的融合來(lái)解決制造業(yè)的效率問(wèn)題，簡(jiǎn)而言之，我們?cè)噲D通過(guò)提高數(shù)據(jù)流的效率來(lái)提升生產(chǎn)制造的效率，尤其是在“個(gè)性化定制”這個(gè)問(wèn)題上的效率，因此，我們需要對(duì)產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)化與決策效率。

    要跨越的障礙包括以下幾個(gè)方面：

1.語(yǔ)義互操作

    傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)都是解決“信號(hào)”的問(wèn)題，對(duì)于OT而言，信號(hào)，無(wú)論是直接的物理信號(hào)（4-20mA,0-10V）還是經(jīng)過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行的數(shù)字化傳輸，其本質(zhì)仍然是服務(wù)于“控制”任務(wù)的，因此，對(duì)于總線(xiàn)而言，其主要是物理層與數(shù)據(jù)鏈路層解決問(wèn)題即可，應(yīng)用層主要為了編程方便，就像CANopen采用數(shù)據(jù)字典對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析一樣，不同廠(chǎng)商的產(chǎn)品也是通過(guò)相應(yīng)的設(shè)備描述文件進(jìn)行解析，而這些都是在同一網(wǎng)絡(luò)中。

    從OT控制角度而言，語(yǔ)義信息往往是通過(guò)查表的方式來(lái)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)又不同的定義方式，這也使得配置和編程變得多樣，不同網(wǎng)絡(luò)均需不同的編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)，并非不可以通信，而是比較復(fù)雜。

    OPCUA解決的正是在水平集成與垂直的信息集成兩個(gè)維度的“語(yǔ)義互操作”問(wèn)題，首先在水平方向采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義“語(yǔ)義信息”，第二個(gè)問(wèn)題是與IT系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)義的統(tǒng)一，使得在水平和垂直兩個(gè)方向均實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的語(yǔ)義信息互操作。

圖1-智能制造對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求

2.信息模型

    要實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造，信息集成與效率至關(guān)重要，信息模型是完成“協(xié)同”的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器（M2M）、機(jī)器與商業(yè)系統(tǒng)（M2B）以及商業(yè)系統(tǒng)間（B2B）的協(xié)同，OPCUA是最佳的通道，OPCUA為此提供了基礎(chǔ)信息模型，包括底層總線(xiàn)傳輸?shù)恼Z(yǔ)義可以參考統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，而垂直行業(yè)的信息模型也同樣可以進(jìn)行協(xié)同，這也是為何ISA、OMAC、AutomationML、MTConnect、Euromap等采用OPCUA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一信息模型定義的原因。

圖2-OPCUA實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

3.模塊化軟件設(shè)計(jì)

    OPCUA本身是面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)（SoA），OPCUA中的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，使得可以被直接訪(fǎng)問(wèn)并應(yīng)用于分析，由于OPCUAServer扮演了一個(gè)中間隔離層的角色，這使得應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)分離SoC（SparationofConcern）的設(shè)計(jì)，這讓HMI與應(yīng)用程序分析、讓數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析、數(shù)據(jù)與應(yīng)用人員分離，無(wú)論對(duì)顯示程序、應(yīng)用程序模塊化、人員操作均可實(shí)現(xiàn)分離，這意味著軟件的模塊化設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，對(duì)于應(yīng)用而言，也會(huì)降低諸多成本。

    OPCUA的Pub/Sub、Discovery、方法都提供了更多讓數(shù)據(jù)交互更為便利、實(shí)時(shí)的方法，不做累述。

二、TSN技術(shù)的意義

    TSN是另一個(gè)即將投入應(yīng)用的傳輸協(xié)議，要了解TSN的意義，首先要明白在智能制造的工廠(chǎng)集成中所遇到的問(wèn)題，然后它的意義才能更為清晰的顯現(xiàn)。

1.周期與非周期數(shù)據(jù)是OT與IT的區(qū)別

    傳統(tǒng)OT之所以采用諸如輪詢(xún)機(jī)制，包括集束幀技術(shù)，均是為了實(shí)現(xiàn)“周期性”數(shù)據(jù)的傳輸問(wèn)題，因?yàn)楦鞣N控制如溫度閉環(huán)、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人都是周期性的數(shù)據(jù)采集，用于實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系。

    而IT數(shù)據(jù)并非是周期性，而是更多采用“最大努力”，也因此像Internet任務(wù)按照OSI七層模型進(jìn)行IP路由、UDP都無(wú)需確認(rèn)，這與IT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯然是不同的。

    這也是OT與IT進(jìn)行融合時(shí)，首先遇到的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問(wèn)題，另一方面，IT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量必須比較大，例如：傳輸視頻信息、Word文檔、JPG圖片等都是需要較大的數(shù)據(jù)容量網(wǎng)絡(luò)。

2.太多的網(wǎng)絡(luò)需要中間轉(zhuǎn)換

    曾經(jīng)有人說(shuō)“這個(gè)世界上有多少家PLC廠(chǎng)商就有多少種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)”，對(duì)照一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的帶寬、物理介質(zhì)、支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)、最大傳輸距離、傳輸容量、校驗(yàn)方式等性能與功能性指標(biāo)均不同，如果這樣的話(huà)，現(xiàn)場(chǎng)連接的復(fù)雜性不僅要耗費(fèi)各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)轉(zhuǎn)換設(shè)備，同樣在軟件層面也需要不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，這不僅帶來(lái)巨大的硬件成本投入，也同樣意味著軟件的復(fù)雜性指數(shù)級(jí)的提升，而這對(duì)于我們談?wù)摰闹悄苤圃於裕蜁?huì)是巨大阻礙。

    即使統(tǒng)一采用以太網(wǎng)，那么也僅僅是解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，配置網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)仍然是各自不同的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

3.TSN扮演的角色

    TSN扮演的角色在這個(gè)時(shí)候就比較突出，它解決了OT周期性數(shù)據(jù)與IT非周期性數(shù)據(jù)，OT實(shí)時(shí)性與IT數(shù)據(jù)容量大、節(jié)點(diǎn)多的問(wèn)題得到了統(tǒng)一的解決。

圖3-TSN技術(shù)從音頻視頻-無(wú)人駕駛汽車(chē)到IIoT的集成發(fā)展

    基于IEEE802.1AS-Rev提供時(shí)鐘同步機(jī)制，IEEE802.1Qbv和Qba提供了包含預(yù)留通道和最大努力的隊(duì)列報(bào)文傳輸機(jī)制，以及IEEE802.1Qcc的用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn)，以及IEEE802.1QCB的冗余數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，OPCUA基金會(huì)、IIC、Avnu聯(lián)盟等共同在推動(dòng)著TSN技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)，在汽車(chē)領(lǐng)域IEEE802.1QVB已經(jīng)在投入應(yīng)用。

圖4-IEEE802.1Qbv-TimeAwareShaper工作機(jī)制

圖5-IEEE802.1Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)配置的協(xié)議

    IEEE802.1Qbv和Qcc如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度以及配置的方法。

    OPCUA與TSN的融合，解決了IT與OT在傳輸機(jī)制的統(tǒng)一，同時(shí)也解決了語(yǔ)義互操作標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的統(tǒng)一，使得IT與OT的融合得到了真正的實(shí)現(xiàn)。

三、OPCUATSN對(duì)智能制造的影響

    看上去OPCUATSN在技術(shù)上打通了IT與OT的互聯(lián)，但是，就其現(xiàn)實(shí)意義卻遠(yuǎn)非我們想象那么簡(jiǎn)單，它不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)，它對(duì)未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極大的戰(zhàn)略意義。

1.中國(guó)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造路徑分析

    其實(shí)，很多人都對(duì)阿里的電商發(fā)展提出了異議，就像看到兩篇相關(guān)的文章，一篇是說(shuō)英國(guó)人認(rèn)為不發(fā)展電商可以讓小店更好的生存，解決就業(yè)，另一個(gè)談到日本人為什么不發(fā)展電商因?yàn)樗麄兿Ｍㄟ^(guò)更好的服務(wù)來(lái)讓消費(fèi)者體驗(yàn)到購(gòu)物的樂(lè)趣，大概是這個(gè)意思吧？

    聽(tīng)上去似乎有道理，但是，我卻有不同的意見(jiàn)，這可能是“非不為，實(shí)不能”的原因，但就互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而言，阿里、騰訊、百度等企業(yè)已經(jīng)在應(yīng)用領(lǐng)域讓中國(guó)處于領(lǐng)先，這已然共識(shí)，國(guó)家推動(dòng)“人工智能”規(guī)劃，這反倒讓我看到一條更為明晰的路徑。

    實(shí)際上，投資互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資的，很多人覺(jué)得移動(dòng)、聯(lián)通、電信都是央企—天生的不喜歡，認(rèn)為他們是壟斷，但是，如此巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給我們帶來(lái)了今天支付的便利、各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給我們生活無(wú)所不在的便利，這是因?yàn)橹袊?guó)有巨大的人口基數(shù)攤低了平臺(tái)的成本，而英國(guó)、日本、德國(guó)這些國(guó)家是沒(méi)有條件讓如此巨大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

    而進(jìn)一步的發(fā)展，隨著這個(gè)領(lǐng)域的能力聚集，以及在人工智能、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的軟件算法、應(yīng)用模型的積累，使得我們制造業(yè)可以分享這些技術(shù)帶來(lái)的好處。

    當(dāng)中國(guó)的制造業(yè)更多分享來(lái)自IT領(lǐng)域的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、應(yīng)用資源的時(shí)候，中國(guó)制造業(yè)的整體成本也是可以被降低。

    當(dāng)我們可以通過(guò)OPCUA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)便利性，當(dāng)OPCUA與TSN的融合為整個(gè)IT與OT融合打通路徑的時(shí)候，中國(guó)自身在IT建設(shè)領(lǐng)域的資源也將被制造業(yè)分享。

2.改變自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的格局

    前沿的自動(dòng)化企業(yè)正在積極的擁抱互聯(lián)網(wǎng)，很多相關(guān)的產(chǎn)品、技術(shù)會(huì)隨著IT與OT的融合變得更加競(jìng)爭(zhēng)加劇，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)架構(gòu)將被重構(gòu)。

    （1）自動(dòng)化行業(yè)將會(huì)因此發(fā)生的改變

邊緣計(jì)算的興起即是一個(gè)方向，由于通用的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算資源更為經(jīng)濟(jì)，因此，傳統(tǒng)的DCS、MES將不再需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投入，而基于無(wú)所不在的智能終端（iPhone/Andriod智能手機(jī)、PAD）使得HMI將更為直接的介入到顯示與操作，而ICT廠(chǎng)商在互聯(lián)產(chǎn)品領(lǐng)域大規(guī)模制造成本低下將使得傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也面臨新的競(jìng)爭(zhēng)。

    （2）軟件成為新的競(jìng)爭(zhēng)力

    某種意義上說(shuō)，IT與OT的融合，也同樣意味著傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品在IT產(chǎn)業(yè)成本優(yōu)勢(shì)下面臨新的競(jìng)爭(zhēng)。

    軟件成為了自動(dòng)化行業(yè)真正競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，誰(shuí)擁有更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用軟件的能力，以及行業(yè)Know-How的服務(wù)能力將成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，這也是為什么越來(lái)越多的自動(dòng)化廠(chǎng)商變得更加“軟”的原因，軟件成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的利器已經(jīng)在諸多前沿的自動(dòng)化廠(chǎng)商這里得到了踐行。

    （3）咨詢(xún)業(yè)務(wù)納入自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)范疇

    另一個(gè)崛起的力量是“咨詢(xún)”成為了未來(lái)自動(dòng)化廠(chǎng)商必須發(fā)展的力量，這種力量需要將“運(yùn)營(yíng)管理—OperationManagement”的能力予以輸出，智能制造是一個(gè)集成，其核心在于通過(guò)自動(dòng)化、信息化、智能化實(shí)現(xiàn)“運(yùn)營(yíng)水平”的提升，這體現(xiàn)在“質(zhì)量、成本與交付”，而智能制造必須圍繞“運(yùn)營(yíng)”進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)，為客戶(hù)提供整廠(chǎng)的集成，必須緊密?chē)@“運(yùn)營(yíng)指標(biāo)”、“流程穩(wěn)定”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    （4）知識(shí)將成為一種更具價(jià)值的資源，也是更具戰(zhàn)略性的競(jìng)爭(zhēng)力：軟件是知識(shí)的一種表現(xiàn)形式，而咨詢(xún)業(yè)務(wù)也是一種知識(shí)的形式，業(yè)務(wù)模式的變化在于可以采用通用平臺(tái)，而以行業(yè)的知識(shí)成為新的盈利方式。人工智能賦予系統(tǒng)“智慧”—智慧與智能的不同在于具有自我判斷、自我執(zhí)行的能力，人們總是認(rèn)為人工智能、機(jī)器人將會(huì)代替人，但是，無(wú)論是機(jī)器人、還是人工智能系統(tǒng)，其本質(zhì)是對(duì)人的“智慧”進(jìn)行延伸到系統(tǒng)，用于生產(chǎn)的優(yōu)化與決策。

3.更高的經(jīng)濟(jì)性

    回到技術(shù)范疇，OPCUATSN打通了IT與OT，其本身的優(yōu)勢(shì)在于為智能制造帶來(lái)成本的更高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)：

    （1）降低系統(tǒng)配置與開(kāi)發(fā)成本

    就直接的應(yīng)用而言，OPCUATSN帶來(lái)了系統(tǒng)融合，取消了在水平集成、垂直集成所非必須的硬件、軟件，簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)、流程，使得整體效率降低。

    就像微信、支付寶使得整體上中國(guó)人花費(fèi)在支付方面的時(shí)間降低，與過(guò)去復(fù)雜的銀行ATM提款、復(fù)雜的轉(zhuǎn)賬支付流程相比，今天我們每個(gè)人耗費(fèi)在支付這件事情的時(shí)間大幅下降，放眼整個(gè)中國(guó)，每年節(jié)省的時(shí)間可以按照百億小時(shí)來(lái)計(jì)算，僅就這一項(xiàng)就可以節(jié)省百億級(jí)以上的社會(huì)總成本。

    打通的制造系統(tǒng)，僅就降低的硬件開(kāi)支、軟件復(fù)雜性帶來(lái)的開(kāi)發(fā)、配置時(shí)間就會(huì)是巨大的。

    （2）共享開(kāi)放世界的資源降低成本

    讓制造業(yè)可以分享在大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的軟件資源、應(yīng)用數(shù)據(jù)、模型與方法，這種資源的分享，也讓制造業(yè)整體成本得到降低。