一種新的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊解決方案OPC UA TSN

    在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成中，不同廠商一般都有自己的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。目前工業(yè)數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域由基于以太網(wǎng)的各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)主導(dǎo)，雖然它們有著相似的要求和細(xì)分市場，但是它們的實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)差別卻很大。價(jià)值鏈中的利益相關(guān)者通常在其特定技術(shù)的決策方面并不完全一致，因此，終端客戶和設(shè)備制造商不得不購買和掌握諸多產(chǎn)品和技術(shù)，這就大大提高了使用成本。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN 與OPC UA 的結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊。

    OPC UA TSN作為獨(dú)立于某一特定廠商的后繼技術(shù)，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中，可以獲得良好的適用性并實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化配置。我們發(fā)現(xiàn)，通過選擇正確的一系列功能特性，它能夠滿足今天和未來的工業(yè)通訊要求，同時(shí)在中期利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件的成本優(yōu)勢。由AVB演變而來的TSN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)同時(shí)能夠承載各類工業(yè)通信，從硬實(shí)時(shí)到盡力服務(wù)，同時(shí)保持每種方法的獨(dú)特屬性。OPC UA是針對嵌入式應(yīng)用的OPC通訊標(biāo)準(zhǔn)的重大發(fā)展。被描述為發(fā)布/訂閱的最新進(jìn)展則更進(jìn)一步，旨在為嵌入式設(shè)備在較小空間內(nèi)優(yōu)化性能。它增加了用于描述數(shù)據(jù)的源模型，以及用于交換和瀏覽信息的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。此外，OPC UA還帶有一個(gè)內(nèi)置的安全模型，可以根據(jù)即將出臺的標(biāo)準(zhǔn)如IEC 62443來幫助實(shí)施安全系統(tǒng)。據(jù)預(yù)計(jì)，OPC UA TSN將很快將自身作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的游戲規(guī)則變革者，成為從傳感器到云端建立全面的通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的首要也是唯一的候選對象。

    0引言

    在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成中，客戶的系統(tǒng)編程和組態(tài)軟件工具，當(dāng)然也包括數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，通常由組成該系統(tǒng)的PLC或DCS供應(yīng)商提供，不同廠商一般都有自己的數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。目前工業(yè)數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域由基于以太網(wǎng)的各類現(xiàn)場總線系統(tǒng)主導(dǎo)，雖然它們有相似的要求和細(xì)分市場，但是它們的實(shí)施和生態(tài)系統(tǒng)差別卻很大。它們中的大多數(shù)都擁有相應(yīng)的聯(lián)盟組織，由一家大的市場參與廠商引導(dǎo)和資助，并推動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。價(jià)值鏈中的利益相關(guān)者通常在其特定技術(shù)的決策方面并不完全一致，因此，終端客戶和設(shè)備制造商面臨著眾多產(chǎn)品和技術(shù)需要生產(chǎn)、運(yùn)行、診斷、維護(hù)和儲備。雖然對產(chǎn)品和服務(wù)的可用性基本滿意，但是應(yīng)對多個(gè)解決方案會(huì)產(chǎn)生高昂的成本，并限制了IoT能力。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN 從實(shí)質(zhì)上說是一種能使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性和確定性的新標(biāo)準(zhǔn)。比如Profinet不適合連接云端和移動(dòng)設(shè)備，OPC UA 不適合用于現(xiàn)場級通訊控制，但TSN 能把諸如Profinet等實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線和OPC UA共享到同一個(gè)通訊設(shè)施上，識別底層IO，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場層、控制層、管理層直到云端的數(shù)據(jù)通訊。OPC UA TSN作為獨(dú)立于某一特定廠商的后繼技術(shù)，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中，可以實(shí)現(xiàn)比以往更高水平的自動(dòng)化配置。此外，由于OPC UA和TSN并非緊密地與某一特定廠商綁定，從而可大大減少出于非技術(shù)原因的人為干預(yù)，其適用性也要比過去不同的現(xiàn)場總線寬廣得多。

    1 工業(yè)數(shù)據(jù)通訊

    1.1  工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的金字塔結(jié)構(gòu)

    今天的工業(yè)數(shù)據(jù)通訊主要是按照自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔來組織的，可參見圖1（a）到（c）。在塔頂?shù)挠?jì)算機(jī)層，使用標(biāo)準(zhǔn)的IT協(xié)議（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議1）。對于機(jī)器間和過程通訊（分布式控制器層）而言，相較傳統(tǒng)的基于以太網(wǎng)的M2M現(xiàn)場總線系統(tǒng)（PROFINET3、EtherNet/IP4、CC-Link IE5），OPC UA（IEC 625412）所發(fā)揮作用的重要性正在迅速提高。在機(jī)器內(nèi)部（設(shè)備和傳感器層），具有硬實(shí)時(shí)能力（也被稱為實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）的協(xié)議占據(jù)主導(dǎo)地位6。根據(jù)市場份額，最重要的協(xié)議是EtherCAT7、PROFINET IRT8、POWERLINK9和Sercos III10。雖然這些技術(shù)有著共同的要求，但是它們的實(shí)施差別很大。因此，比較它們是一件復(fù)雜的事情，并且很大程度上取決于預(yù)期的應(yīng)用（過程控制、運(yùn)動(dòng)、I/O、集中式和分布式控制等）。努力比較各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議在多個(gè)類別中的性能已經(jīng)由Ethernet POWERLINK標(biāo)準(zhǔn)化組織（EPSG）11承擔(dān)。

相關(guān)注釋與參考鏈接：

1https://en.wikipedia.org/wiki/internet_protocol_suite

2https://opcfoundation.org/about/opc-technologies/opc-ua/

3http://www.profibus.com/technology/profinet/

4https://www.odva.org/Technology-Standards/EtherNet-IP/Overview

5https://www.cc-link.org/en/cclink/cclinkie/index.html

6全球范圍內(nèi)，工業(yè)以太網(wǎng)和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)目前聲稱可比的工業(yè)通訊市場份額。新的開發(fā)主要使用基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)，從而導(dǎo)致更高的增長率。具有傳統(tǒng)現(xiàn)場總線接口的設(shè)備越來越多地被替換，并僅用于傳統(tǒng)產(chǎn)品和工廠。

7https://www.ethercat.org/en/technology.html

8http://www.innovasic.com/news/industrial-ethernet/

profinet-rt-vs-profinet-irt/

9http://www.ethernet-powerlink.org/en/powerlink/technology/

10http://www.sercos.org/

11http://www.ethernet-powerlink.org/en/downloads/industrial-ethernet-facts/

（a）自動(dòng)化金字塔各層

（b）現(xiàn)今自動(dòng)化金字塔中獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)

（c）使用OPC UA（和TSN）實(shí)現(xiàn)從傳感器到云端的全面通訊

圖1  自動(dòng)化金字塔–不同層面的通訊需求

    1.2 主流通訊協(xié)議的循環(huán)周期比較

    多年來，一直傾向于根據(jù)它們各自的功能集比較工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

    1.2.1最小循環(huán)周期比較@100Mbit

（a）淺綠色：Modbus/TCP

黃綠色：SERCOS II

紅    色：POWERLINK

水綠色：OPC UA TSN   

（b）深橙色：Profinet IRT*)

 綠    色：EtherNet/IP

淡橙色：EtherCATy)

水綠色：OPC UA TSN

圖2  最小循環(huán)周期比較@100Mbit

1.2.2  最小循環(huán)周期比較@1Gbit

（a）紫    色：Modbus/TCP

深藍(lán)色：SERCOS III

淡藍(lán)色：POWERLINK

品紅色：OPC UA TSN

（b）灰藍(lán)色：Profinet IRT*)

粉紅色：EtherNet/IP

中藍(lán)色：EtherCATy)

品紅色：OPC UA TSN

圖3  最小循環(huán)周期比較@1Gbit

1.2.3  OPC UATSN @1GBit的最小循環(huán)周期與現(xiàn)有技術(shù)比較

深橙色：Profinet IRT*)

淡橙色：EtherCATy)

紅   色：POWERLINK

品紅色：OPC UA TS

圖4   最小循環(huán)周期與現(xiàn)有技術(shù)比較OPC UATSN @1Gbit

    從1.2.1到1.2.3可知，圖2a和圖2b @100Mbit，圖3a和3b @1Gbit，圖4則顯示了OPC UATSN @1GBit與現(xiàn)今的100Mbit技術(shù)的比較，直至設(shè)備最多100個(gè)，有效載荷最大100 byte。以下參數(shù)已被使用：

    ●總線型拓?fù)?，輸出?shù)據(jù) = 40%的輸入數(shù)據(jù)，交叉通信用于20%的設(shè)備

    ●轉(zhuǎn)發(fā)延遲@100Mbit：TSN: 3µs，開關(guān)：10 µs，PLK：0.76 µs，EC：1.35 µs，SER：0.63 µs

    ●轉(zhuǎn)發(fā)延遲@1Gbit：TSN：780 ns，開關(guān)：2 µs，PLK：0.76 µs, EC，0.85 µs，SER：0.63 µs

    ●25%的設(shè)備是由20個(gè)插片式模塊化I/O組成（僅影響EtherCAT）

    品紅色和水綠色平面的實(shí)現(xiàn)使用了OPC UA Pub/Sub，它在原始以太網(wǎng)上采用了幀聚合技術(shù)。然而，使用Pub/Sub over UDP/IP可能會(huì)顯示不可區(qū)分的平面，而使用單幀可能會(huì)增加有效載荷的循環(huán)周期超過約50 bytes。

    圖4顯示，具有千兆位物理層的OPC UA TSN的有利實(shí)施優(yōu)于現(xiàn)有解決方案（基于100M bit）大約18倍。

    有關(guān)注釋：

*) Profinet IRT的循環(huán)周期始終是31.25 µs的倍數(shù)

y )循環(huán)周期平面上的隆起代表使用新的以太網(wǎng)幀

表1   計(jì)算循環(huán)周期的符號

    然而，更重要的是，特別是在運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中技術(shù)的性能，它根據(jù)為特定應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期[1]進(jìn)行測量。它可以被看作是最具挑戰(zhàn)性的度量，如果一項(xiàng)技術(shù)滿足這項(xiàng)要求，它也可以在對實(shí)時(shí)性要求較小的環(huán)境中得以利用?？蓪?shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期是PLC發(fā)送全部輸出至其從站12并接收到所有輸入所需的時(shí)間。重要的是，所有從站都要在相同的循環(huán)13內(nèi)接收到來自于PLC的輸出。[2]介紹了一個(gè)基本的方法，用于估算幾種技術(shù)的最小循環(huán)周期。它們的貢獻(xiàn)包括顯示相應(yīng)的最小循環(huán)周期的二維圖作為設(shè)備數(shù)量的函數(shù)。以下將提供基本機(jī)制的綜述。EtherCAT（簡稱：EC）和Profinet IRT（PN）在所分析的技術(shù)之中，將要作為采用幀聚合和基于交換式以太網(wǎng)的技術(shù)的例子。

    循環(huán)周期的第一個(gè)組成部分是鏈路傳輸延遲（符號，見表1）。這是指通過一條具有特定鏈路容量的線路發(fā)送所有幀所需的時(shí)間。集總幀的基本方程是：

    remainder是填充最小尺寸的以太網(wǎng)幀（84 bytes，包括幀間距）所需的bytes數(shù)量。具體針對EC而言，公式可轉(zhuǎn)換為14：

    應(yīng)當(dāng)注意的是，這個(gè)公式只考慮了一個(gè)幀。如果最大的以太網(wǎng)幀大小不夠，必須發(fā)送至少一個(gè)最小尺寸的幀。另外，由于設(shè)備訂閱有效載荷不能跨多個(gè)幀分割，因此最大的以太網(wǎng)幀大小將不會(huì)達(dá)到，數(shù)據(jù)將不得不在第二（第三，…）幀中發(fā)送。

    循環(huán)周期的第二個(gè)組成部分是幀通過網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)包括電線在內(nèi)的傳播延遲。對于EC而言，幀通過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出并送回，導(dǎo)致最小循環(huán)周期為：

    有關(guān)注釋參考鏈接：

12所有傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)也被稱為“節(jié)點(diǎn)”。

13有贊同轉(zhuǎn)移循環(huán)的論據(jù)，即循環(huán)開始和結(jié)束于與PLC相比具有規(guī)定偏移量的從站。但是，這種優(yōu)化取決于技術(shù)和應(yīng)用，因此省略一般的比較。

14方程中的特定數(shù)字總是表示header的大小、最小以太網(wǎng)幀中的有效載荷空間和訂閱消息header的大小。相關(guān)詳細(xì)解釋，請參閱其它腳注中的協(xié)議定義。

    對于PN，必須考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的各幀，致使每幀。

    這將假定幀預(yù)定依次到達(dá)PLC，然后第一個(gè)從站的幀通過一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)加上一根電纜。這導(dǎo)致最小循環(huán)周期為：

    這里介紹的所有方程都假設(shè)了簡單的情況，其中輸入和輸出數(shù)據(jù)量相等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為完美的總線型。然而在實(shí)際應(yīng)用中，這種比較取決于許多其它參數(shù)：

    ●輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)的比率

    ●具有直接交叉通信的設(shè)備的百分比

    ●利用不同的循環(huán)周期

    ●拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（總線型、星型、環(huán)型），以及設(shè)備之間的跳數(shù)

    ●帶有自己背板總線的模塊化I/O的可用性

    假設(shè)更具現(xiàn)實(shí)價(jià)值的結(jié)果如圖2a –圖2b（使用100 Mbit）所示。使用不同的鏈路容量（1 Gbit）明顯改變了這種情況，因?yàn)橹挥醒h(huán)周期的傳輸延遲成分–而非網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成分–可以減少10倍（見圖3a - 3b）。因此，對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有較大依賴性的技術(shù)（EtherCAT、Sercos III、POWERLINK）在使用千兆位時(shí)的性能平均提高了4 – 6倍。相比之下，基于交換式以太網(wǎng)的技術(shù)（EtherNet/IP、Profinet IRT）可將足夠大的有效載荷提高7 – 10倍。對于較小的有效載荷，短幀的傳輸延遲可能比基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的延遲小，導(dǎo)致總線中最小循環(huán)周期的下限較低。今天針對Gbit的COTS直通式交換機(jī)具有2 µs范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲（圖3b），這意味著最小幀大小為250 bytes （= 2000 bits）（忽略電纜上的傳播延遲）。發(fā)送較小的幀不會(huì)進(jìn)一步減小循環(huán)周期。因此，在具有較高性能要求的應(yīng)用中，轉(zhuǎn)發(fā)延遲短的設(shè)備至關(guān)重要。OPC UA TSN循環(huán)周期的計(jì)算是上面介紹的兩種方法的組合。具有Pub/Sub值的幀傳輸延遲–由于幀聚合和高效的幀格式–變?yōu)?4：

    總的最小循環(huán)周期變?yōu)椋?img alt="" src="http://fs10.chuandong.com/upload/images///20180601/997F03DACBC5D16Em.jpg" style="text-align: center; width: 120px; height: 37px;" />

    可以注意到，相比今天建立在各種參數(shù)組合上的解決方案，可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期更低，大約低了18倍（參見圖4）。若現(xiàn)今的現(xiàn)場總線技術(shù)機(jī)制不變，相比具有千兆位電路的假想設(shè)備則低了近2倍（參見圖3a – 3b）。

    1.3  工業(yè)數(shù)據(jù)通信類型

    開發(fā)新的OPC UA TSN系統(tǒng)的公司擁有多種TSN標(biāo)準(zhǔn)，從中可以為他們的應(yīng)用選擇正確的功能特性。這通常涉及到嘗試盡可能接近地匹配傳統(tǒng)技術(shù)的行為。外推到整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化市場，這告訴我們，為了得到廣泛采用，一個(gè)解決方案必須同時(shí)支持所有當(dāng)前使用的工業(yè)通信類型。

    今天的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各種通信類型。它們大多數(shù)都考慮到了區(qū)分周期性和非周期性通信，而在它們實(shí)際屬性的細(xì)微差別方面又有所不同–從每個(gè)循環(huán)擁有不同發(fā)送、傳播和接收周期的硬實(shí)時(shí)通信；到有或無時(shí)間同步的周期性通信；到多種來源的非周期性通信，其中TCP/IP就是一個(gè)越來越重要的例子。在有些情況下，網(wǎng)絡(luò)控制、診斷信息和用戶控制消息有不同的優(yōu)先級。我們已經(jīng)評估了這些，并得到了一個(gè)超集。通過工業(yè)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊的通信類型可以概括在下面的表II中。一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò)需要支持所有這些類型（例如，見圖10），即使不在特定應(yīng)用中使用。用于實(shí)施的形成機(jī)制的選擇需具備全球化標(biāo)準(zhǔn)；這里介紹目前討論的一個(gè)提案。

    注意：TSN的主要特點(diǎn)是不同通信類型共存的可能性，同時(shí)保留實(shí)時(shí)通信的定時(shí)特性。一些現(xiàn)有的“實(shí)時(shí)”（EtherNet/IP、Profinet）網(wǎng)絡(luò)使用通信規(guī)劃和QoS來保證在設(shè)備運(yùn)行良好條件下的行為。由于將TSN用作數(shù)據(jù)鏈路層，因此這些技術(shù)可以更好地利用帶寬效率，因?yàn)門SN無條件保護(hù)了高優(yōu)先級的通信（請參閱[3]中ODVA的性能考慮，表1）。

2 設(shè)置

    計(jì)算理論性能估計(jì)和定義通信類別要求是一回事–具有硬件和/或軟件限制的現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)是完全不同的事情。百兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常高的成熟度，這意味著幾乎所有的現(xiàn)有設(shè)備都能夠提供全面的網(wǎng)絡(luò)性能。對于千兆技術(shù)而言，事實(shí)并非如此。如上所述，千兆將交換網(wǎng)絡(luò)的性能提高了約10倍。幀聚合、優(yōu)化標(biāo)頭和超低直通延遲可以進(jìn)一步提高約2倍。為了在真正的產(chǎn)品中利用該性能，其許多組件都需要進(jìn)行優(yōu)化。

    許多原型設(shè)備已經(jīng)實(shí)施并由作者測試，例如在IIC試驗(yàn)臺上。其中兩個(gè)原型已被用于本文中評估：一個(gè)是基于運(yùn)行Linux的單端口工業(yè)PC，另一個(gè)嵌入式的形式為模塊化I/O模塊的頭站，具有兩個(gè)外部網(wǎng)絡(luò)端口，也運(yùn)行Linux OS。圖5描述了使用這些設(shè)備的測試設(shè)置的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；圖6則表現(xiàn)了設(shè)備構(gòu)成。它包含200個(gè)嵌入式節(jié)點(diǎn)（貝加萊），具有數(shù)字量I/O模塊和一個(gè)工業(yè)PC。另外，它包含五個(gè)高清攝像頭（Mobotix）和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)面板。此外還用到了工業(yè)TSN交換機(jī)（TTTEch）。200個(gè)設(shè)備部署在四條總線中，每條線50個(gè)設(shè)備?？蓪?shí)現(xiàn)的性能報(bào)告在第7部分中。

圖5  測試設(shè)置的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6   測試設(shè)置的設(shè)備構(gòu)成

    3 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)

    3.1 概述

    圖7提供了OPC UA TSN所使用的協(xié)議和服務(wù)的概述以及它們?nèi)绾芜m應(yīng)ISO/OSI參考模型的各層。以下將討論各層的要求和特性。

    3.2  物理層

    以下的物理介質(zhì)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的，因此大多數(shù)廠商都會(huì)提供：

    基于銅

    –Fast Ethernet（100BASE-T/T1）

    –Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1）

    基于光纖

    –Fast Ethernet（100BASE-T/T1）

    –Gigabit Ethernet（100BASE-T/T1）

    對于過程自動(dòng)化，已經(jīng)成立了一個(gè)工作組來開發(fā)十兆單雙絞線以太網(wǎng)（10SPE）。該介質(zhì)可以促使以太網(wǎng)傳播至更小和成本更敏感的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)備以及Zone 1危險(xiǎn)區(qū)。

表2   工業(yè)通信類型

第3 – 9列表示每種類型的要求

    有關(guān)注釋：

*）未使用的帶寬可以被較低優(yōu)先級的通信使用

y）嚴(yán)格優(yōu)先級通信選擇算法

z）有界延遲保證包含帶寬保證

§）建議，見圖8例子

    3.3  數(shù)據(jù)鏈路層

    術(shù)語TSN[4]、[5]是指由IEEE 802.115工作組的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)組開發(fā)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。這里值得注意的是，802.1標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)交換機(jī)（他們稱之為“網(wǎng)橋”），802.3標(biāo)準(zhǔn)化了以太網(wǎng)端點(diǎn)。下列介紹與工業(yè)通訊相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：

    IEEE 802.1AS-Rev：IEEE 1588-2008時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議是為解決導(dǎo)致IEEE 802.1AS [6]中更大的以太網(wǎng)系統(tǒng)而開發(fā)和采用的?？上烧卟⒉患嫒?。在TSN工作組中，正在開發(fā)IEEE 802.1AS（.1ASRev [7]）的修訂版。此修訂版解決了最高級冗余和多時(shí)鐘域（例如，同時(shí)分配工作時(shí)鐘（同步傳輸?shù)幕A(chǔ)）和掛鐘（例如，記錄消息））的機(jī)制。.1AS-Rev計(jì)劃于2018年發(fā)布；出于互操作性和接近最終方案的考慮，我們強(qiáng)烈鼓勵(lì)機(jī)器、工廠和過程自動(dòng)化廠商實(shí)施.1AS（而不是IEEE 1588）。另外，802.1AS是AVnu和IEEE TSN任務(wù)組推動(dòng)的默認(rèn)解決方案。

    IEEE 802.1Qbv：用于實(shí)時(shí)保證的同步傳輸。它規(guī)定了傳輸窗口16，以保證有界延遲和較小抖動(dòng)[8]。Qbv也可以周期性地給予出口隊(duì)列優(yōu)先接入線路，所以它也可以提供帶寬保證。

圖7  OSI參考模型中OPC UA TSN的描述

    IEEE 802.1Qav：可用于周期性傳輸，以保證某些通信類別[9]擁有帶寬預(yù)留和有界延遲。主要的應(yīng)用是音頻/視頻廣播17。

    相關(guān)注釋和參考鏈接：

15http://www.ieee802.org/1/pages/tsn.html

16按照“門開閉”時(shí)間值

17由于采用流預(yù)留協(xié)議，將它用于循環(huán)過程數(shù)據(jù)交換也具有吸引力，無需事先配置。然而，動(dòng)態(tài)添加的流會(huì)影響已配置的流的保證（不會(huì)通知它們），這使得很難預(yù)測系統(tǒng)（和通信負(fù)載）更新的融合網(wǎng)絡(luò)中更長時(shí)間段的行為。

    IEEE 802.1Qcc：該標(biāo)準(zhǔn)提供了用于TSN配置的協(xié)議、程序和管理對象的規(guī)范，主要用于已經(jīng)運(yùn)行的系統(tǒng)。描述了以下三種配置模型：

    （1）完全集中式模型–適用于所有TSN機(jī)制，在使用Qbv時(shí)是必備的（見圖8）；

    （2）完全分布式模型–適用于無需改變調(diào)度（或不使用Qbv機(jī)制）時(shí)；

    （3）集中式網(wǎng)絡(luò)/分布式用戶模型。

    由于同步通信經(jīng)常用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（見圖10示例），Qbv機(jī)制的使用是必然的，因此，我們使用完全集中式的配置模型。該模型指定了CUC（集中式用戶配置）和CNC（集中式網(wǎng)絡(luò)配置）功能[10]。CUC(s)指定了關(guān)于循環(huán)周期和傳輸?shù)倪^程數(shù)據(jù)的用戶要求，并將其傳輸給CNC。CNC會(huì)計(jì)算TSN配置，包括通訊調(diào)度必須通過使用標(biāo)準(zhǔn)的YANG18模型滿足要求。CNC使用基于YANG的管理協(xié)議（如NETCONF19over TLS20）將配置分配給交換機(jī)（網(wǎng)橋）。CNC將端點(diǎn)配置發(fā)送到CUC。RESTCONF21應(yīng)用作CUC和CNC22之間的通訊協(xié)議。CUC然后將端點(diǎn)配置分發(fā)到相應(yīng)的端點(diǎn)。

    TSN Configuration Broker (TCB)：Qcc不會(huì)進(jìn)一步指定協(xié)議以及CUC和端點(diǎn)之間的功能（因?yàn)檫@是專用的）。當(dāng)工作在OPC基金會(huì)TSN工作組內(nèi)針對基于OPC UA Pub/Sub TSN的系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CUC接口上時(shí)，所有CUC的共同功能已被確定和進(jìn)一步明確。TSN Configuration Broker (TCB)一方面從端點(diǎn)提取出了不同的IEEE Qcc配置模型，另一方面為流預(yù)留/實(shí)例提供了標(biāo)準(zhǔn)化的功能。TCB由駐留在端點(diǎn)的TCB客戶端和集中式TCB服務(wù)器組成（見圖7）。TCB客戶端與服務(wù)器之間的PTCB協(xié)議非常輕便。除了通常適用于所有CUC之外，這是一種接收基本網(wǎng)絡(luò)配置的有效方式，特別適用于幾乎不需要應(yīng)用程序配置的資源受限設(shè)備（因此沒有可用的OPC UA客戶端或服務(wù)器）。

    IEEE 802.1CB：用于為環(huán)型和網(wǎng)格拓?fù)鋄11]提供無縫冗余。1CB允許冗余規(guī)劃在每個(gè)數(shù)據(jù)流的基礎(chǔ)上，這樣可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)冗余解決方案更好的帶寬效率。

    相關(guān)參考鏈接和注釋：

18https://tools.ietf.org/html/rfc6020

19https://tools.ietf.org/html/rfc6241

20https://tools.ietf.org/html/rfc5246

21https://tools.ietf.org/html/rfc8040

22如果兩者都托管在單個(gè)設(shè)備（例如工程工具或PLC）上，那么CUC-CNC通訊不一定涉及協(xié)議。

圖8  Qcc的完全集中式模型（帶有OPC UA應(yīng)用程序），取自[4]

圖9   包含TCB的完全集中式模型

    更多標(biāo)準(zhǔn)

    IEEE 802.1Qbu & IEEE 802.3br（可選）23

    在使用調(diào)度（Qbv）機(jī)制的情況下，幀搶占[12]、[13]可以用來最大化盡力而為業(yè)務(wù)的吞吐量。搶占不適合盡力而為以外的通信類型，因?yàn)樗鼤?huì)使這些通信類型的任何保證無效。然而在千兆的情況下，盡力而為的增益微不足道24。

    IEEE 802.1CS（可選）

    AVB的流預(yù)留協(xié)議擴(kuò)展。該項(xiàng)目剛剛發(fā)起。它定義了一個(gè)可供選擇的–目前不兼容–配置路徑（也稱為“完全分布式配置模型”），適用于III類通信（和盡力而為）的應(yīng)用，因此在工業(yè)應(yīng)用中的使用有限。

    總結(jié)

    因此，強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是.1AS(-Rev)、Qbv、.1CB和具有完全集中式模型的Qcc，再加上NETCONF over TLS。AVnu聯(lián)盟正在定義實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)的一致性和互用性準(zhǔn)則。

    3.4  第3-6層

    對于OPC UA客戶端/服務(wù)器，支持帶可選安全（TLS）的TCP/IP連接。對于Pub/Sub連接，支持UADP25 over UDP/IP或直接在原始以太網(wǎng)上的UADP。安全在UADP層中進(jìn)行處理。UADP（即云協(xié)議）的其它傳輸選擇超出了本文的范圍。

    NETCONF也使用帶TLS的TCP/IP。

    對于設(shè)備上的固件升級和Web應(yīng)用程序，可選用HTTP(S)。

    3.5 應(yīng)用層

    OPC UA在應(yīng)用層上采用，包括支持客戶端/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱通訊模型。所有設(shè)備上的OPC UA服務(wù)器應(yīng)支持嵌入式服務(wù)器協(xié)議。對于資源有限的設(shè)備，只能利用發(fā)布功能提供數(shù)據(jù)和TCB客戶端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

    ● 客戶端/服務(wù)器：用于設(shè)備配置、瀏覽信息模型、記錄診斷信息等的通訊模型。對于安全應(yīng)用程序，設(shè)備配置應(yīng)提供數(shù)據(jù)完整性（簽名）和可選的機(jī)密性（加密）。

    ● 發(fā)布/訂閱（簡稱：Pub/Sub）：用于循環(huán)傳輸?shù)耐ㄓ嵞Ｐ?。通過使用基于OPC UA消息的安全，可選簽名和/或加密。具有靜態(tài)數(shù)據(jù)集偏移的標(biāo)頭協(xié)議可用于在終端站中高效地提取數(shù)據(jù)集。

    相關(guān)注釋：

23有兩個(gè)與幀搶占相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)–一個(gè)用于網(wǎng)橋（.1Qbu），另一個(gè)用于端點(diǎn)（.3br）。

24例如，最大尺寸的以太網(wǎng)幀（1.5 kB）需要12.3 µs傳輸時(shí)間?？紤]到1 ms的共同循環(huán)周期，當(dāng)每個(gè)循環(huán)搶占一個(gè)這樣的幀時(shí)，帶寬利用率可以改善< 1%。

25 Unified Architecture Datagram Packet

（a）調(diào)度中同步輸入幀的時(shí)空圖

(b).在主站內(nèi)端口的Qbv門控事件

(c).在S5左端口的Qbv門控事件26

圖10  網(wǎng)絡(luò)調(diào)度示例

    圖10  是在第2部分介紹的網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度示例，只是更小。它有一個(gè)主站（M）和七個(gè)從站（S1…S7）。在類型1中，所有從站都向主站發(fā)送相同大小的幀（圖10a）。調(diào)度計(jì)算是這樣的，幀一個(gè)接一個(gè)不停地達(dá)到主站，在那里第一個(gè)從站在循環(huán)開始處發(fā)送它的幀。圖10b顯示了主站內(nèi)端口的Qbv配置，它在那里接收幀（循環(huán)開始于90°）。類型1的門在循環(huán)開始（t0）不久打開，并保持打開，直到接收到所有幀后關(guān)閉（t1）。在這段時(shí)間里，沒有其它門打開。之后，類型2-8的門同時(shí)打開。類型2在所有剩余時(shí)間內(nèi)保持打開，給予網(wǎng)絡(luò)控制通信最高優(yōu)先級（如果發(fā)生這種通信）。接下來，類型4的門關(guān)閉（t2），給予類型5一些時(shí)間，具有最高優(yōu)先級等等（t3、 t4）。圖10c顯示了S5左端口的Qbv配置27。類型1的門向朝向主站的三個(gè)幀（t0…t1）打開，隨后打開其它類型的門。因此，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中28，類型4至6和8的帶寬保證是相同的。

    相關(guān)注釋：

26所示調(diào)度代表盡量在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)位置可能利用“異步”帶寬的最佳調(diào)度。但是，為了提高計(jì)算調(diào)度時(shí)的計(jì)算效率，整條線路可以使用與圖8a相同的調(diào)度。

27圖8a和8b所示的各個(gè)調(diào)度均基于設(shè)備的各個(gè)時(shí)間。但是，預(yù)計(jì)設(shè)備間的同步足夠支持這種方法，而且–簡單起見–談及一個(gè)網(wǎng)絡(luò)共同的循環(huán)開始時(shí)間。

28在這個(gè)例子中，類型4至6和8的保證是一樣的約8%。相同的尺寸僅用于描述，可能沒有實(shí)際用例。

    3.6  其它所需功能特性

    ISO/OSI參考模型（圖7）提供了一個(gè)涉及OPC UA TSN技術(shù)的協(xié)議棧的快速概覽。為了滿足工業(yè)通訊系統(tǒng)要求，需要以下其它功能特性：

    設(shè)備角色：第5部分介紹了協(xié)調(diào)OPC UA TSN設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和操作所需的功能特性。角色（幾乎）獨(dú)立于運(yùn)行的硬件。

    狀態(tài)機(jī)：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的終端站必須有統(tǒng)一的行為，它根據(jù)狀態(tài)機(jī)定義（見第IV部分）。這使得中心實(shí)例（即網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)）協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為可能。許多工業(yè)以太網(wǎng)解決方案實(shí)施的狀態(tài)機(jī)基于CiA的想法[14]。

    拓?fù)錂z測：實(shí)時(shí)通信的調(diào)度需要詳細(xì)了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇梢栽谂渲霉ぞ咧羞M(jìn)行檢測（使用LLDP29）和導(dǎo)入，或離線創(chuàng)建。CNC（第5部分）使用此信息來計(jì)算Qbv和Qav的配置。

    直通交換：在交換式網(wǎng)絡(luò)上可實(shí)現(xiàn)的循環(huán)周期性能很大程度上取決于幀傳輸?shù)难舆t（見1.2部分）。特別是對長的總線型或環(huán)型拓?fù)錁?gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，直通交換（一旦地址信息被解碼就轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)幀）30構(gòu)成了現(xiàn)場設(shè)備中3端口交換機(jī)不可或缺的一個(gè)功能特性。在使用千兆物理層時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)延遲包括遠(yuǎn)低于1 µs的PHYs是必需的，即

    設(shè)備子協(xié)議：在工業(yè)通訊系統(tǒng)中，每個(gè)OSI層都需要確?；ゲ僮餍?。違反互操作性的最低層構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)互操作性的最高層，獨(dú)立于任何更高層。傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)僅共享相同的物理介質(zhì)（電纜、插頭），即層1。該事實(shí)已經(jīng)引起了很多顧客的不滿，因?yàn)樵瓉淼臓I銷信息是以太網(wǎng)是以太網(wǎng)，所以它們都應(yīng)該兼容。為了防止OPC UA TSN技術(shù)陷入相同的困境，其目標(biāo)是使用所有七個(gè)OSI層（用于設(shè)備間通訊）共同實(shí)施，此外還具有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備子協(xié)議和特定類型的設(shè)備子協(xié)議。今天，針對安全、驅(qū)動(dòng)器、IO和控制器到控制器通訊的標(biāo)準(zhǔn)化子協(xié)議正在考慮中。

    設(shè)備描述文件：在OPC UA領(lǐng)域內(nèi)，一個(gè)設(shè)備由其服務(wù)器實(shí)例來表示，其功能特性可以“隨時(shí)”在線瀏覽。雖然在線瀏覽對一些工業(yè)用例就足夠了，它們具有很高的重復(fù)程度，如連續(xù)機(jī)器制造，但仍要求離線方法用于對設(shè)備進(jìn)行配置和編程。因此，設(shè)備的所有相關(guān)功能特性（OPC UA、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)功能）都需要在文件中進(jìn)行描述，從而替代對設(shè)備的在線訪問。

    相關(guān)注釋：

29鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議 [15]

30沒有可用于直通交換的標(biāo)準(zhǔn)。反對它的主要理由是幀可能損壞，它只能使用幀結(jié)尾的FCS檢測。此外，TSN的有些功能特性，如流量限制部分與直通并不兼容。然而，性能爭論超過了缺點(diǎn)。

    4 配置和啟動(dòng)

    現(xiàn)今，幾乎所有現(xiàn)場總線系統(tǒng)–無論是否基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)–都提供網(wǎng)絡(luò)管理的機(jī)制。這些機(jī)制會(huì)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過一系列狀態(tài)將其轉(zhuǎn)換為操作狀態(tài)；啟動(dòng)設(shè)備檢測，在運(yùn)行時(shí)處理和發(fā)出錯(cuò)誤信號；或者執(zhí)行必要的程序來替換故障設(shè)備。

    狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備識別等功能（確保設(shè)備可以在網(wǎng)絡(luò)上到達(dá)，匹配預(yù)期的廠商/型號等）。它們也可用于執(zhí)行任何必要的配置/固件更新，隨后通知設(shè)備傳輸有效的過程數(shù)據(jù)（如果設(shè)備上的應(yīng)用程序準(zhǔn)備好這樣做），并評估收到的過程數(shù)據(jù)（如果控制網(wǎng)絡(luò)的中央網(wǎng)絡(luò)實(shí)例決定這樣做）。

    在各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，許多現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)施將所有這些功能結(jié)合在一個(gè)設(shè)備中（即PLC）。這項(xiàng)工作的目標(biāo)明確，就是將這些功能分離和解耦成所謂的設(shè)備角色，這樣理論上每個(gè)角色都可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同設(shè)備上實(shí)施。多實(shí)例和設(shè)備角色冗余也應(yīng)解決。圖11顯示了不同角色及其通訊關(guān)系。圖12顯示了啟動(dòng)時(shí)通過終端設(shè)備的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行漫游。狀態(tài)本身是強(qiáng)制性的。但是，如果地址和配置進(jìn)行本地存儲，那么大多數(shù)狀態(tài)可以快速通過。

圖11   啟動(dòng)過程中的通訊關(guān)系

圖12   啟動(dòng)OPC UA TSN終端時(shí)的狀態(tài)

    5 角色管理

    對于機(jī)器網(wǎng)絡(luò)而言，需要一些網(wǎng)絡(luò)功能，以達(dá)到啟動(dòng)和運(yùn)行期間在網(wǎng)絡(luò)中定義的狀態(tài)。這些功能可以分組，并分配給設(shè)備角色。以下列出眾所周知的針對IT和OT系統(tǒng)的設(shè)備角色以及針對OPC UA TSN的新設(shè)備角色。這部分結(jié)束時(shí)列出了用于開發(fā)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的用戶角色。

    5.1當(dāng)前需要的備角色

    TSN交換機(jī)：它們構(gòu)成了一個(gè)OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。多端口交換機(jī)用于從鳥瞰角度設(shè)置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而帶兩個(gè)外部（和一個(gè)內(nèi)部）端口的交換機(jī)駐留在交換終端站，便于在總線型拓?fù)渲羞M(jìn)行有效布線。交換機(jī)的狀態(tài)機(jī)添加狀態(tài)以防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中的信息風(fēng)暴，與圖10所示狀態(tài)相比。

    DHCP（服務(wù)器）：DHCP31是一種從池中分配IP地址并將其分配給未配置的設(shè)備的機(jī)制。此外，大多數(shù)DHCP服務(wù)器實(shí)施允許在第2層MAC地址和第3層IP地址之間進(jìn)行靜態(tài)綁定。這些功能特性的組合可以使用臨時(shí)IP地址啟動(dòng)未配置的設(shè)備（具有未知的MAC地址），并且–在成功識別后（可能是驗(yàn)證） - 分配預(yù)先配置的地址32。

    DNS（服務(wù)器）：DNS33是解決IP地址描述性名稱（即主機(jī)名）的機(jī)制。所有更高層協(xié)議和服務(wù)–包括工程和配置工具–隨后都可以使用易于記憶的主機(jī)名。

    祖時(shí)鐘：該術(shù)語來自于針對精確時(shí)鐘同步的IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，已被IEEE 802.1AS采用。它指的是網(wǎng)絡(luò)中具有主站功能的最精確的時(shí)鐘設(shè)備。它可以通過最佳主時(shí)鐘算法（BMCA）自動(dòng)選擇為網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間主站。或者在.1AS中，也可以預(yù)定義時(shí)鐘層級。

    相關(guān)鏈接和注釋：

31https://tools.ietf.org/html/rfc2131

32在安全情況下，強(qiáng)烈建議使用靜態(tài)IP地址配置，另見[16]。

33https://tools.ietf.org/html/rfc1034, https://tools.ietf.org/html/rfc1035

    OPC UA GDS：OPC UA的全局發(fā)現(xiàn)服務(wù)器（GDS）負(fù)責(zé)OPC UA服務(wù)器的企業(yè)級管理。它通過“功能”和地址列表促進(jìn)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建并分發(fā)針對安全連接的應(yīng)用證書。

    目錄服務(wù)（可選）：此類IT服務(wù)（例如微軟的活動(dòng)目錄）用于企業(yè)級資產(chǎn)、用戶和角色管理，包括個(gè)人數(shù)據(jù)、訪問權(quán)限（對文件、程序）、證書管理等。在OT環(huán)境中使用這些可以在組織效率方面快速見效。

    TSN CUC：集中式用戶配置（CUC）是一個(gè)在IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)中定義的角色，任務(wù)是配置終端節(jié)點(diǎn)（或其應(yīng)用程序–網(wǎng)絡(luò)的用戶）。這包括網(wǎng)絡(luò)配置，用于與CNC通訊。

    TCB：TCB客戶端/服務(wù)器是CUC-CNC通訊功能加上終端站網(wǎng)絡(luò)配置的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施。TCB服務(wù)器收到來自CUC的要求，將要求轉(zhuǎn)發(fā)給CNC，它會(huì)調(diào)度數(shù)據(jù)流并將結(jié)果報(bào)告給TCB服務(wù)器。最后，TCB服務(wù)器會(huì)將如何使用調(diào)度的數(shù)據(jù)流的報(bào)告發(fā)回終端站。

    TSN CNC：集中式網(wǎng)絡(luò)配置（CNC）有兩個(gè)主要任務(wù)：（1）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)調(diào)度（2）將網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的參數(shù)分配給基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組件（以太網(wǎng)交換機(jī)）。

    對于后者支持互操作性，協(xié)議的選擇很關(guān)鍵。截止今天，NETCONF由于其廣泛的可用性、技術(shù)成熟度和操作陰影配置的可能性已成為首選技術(shù)。

5.2  新的設(shè)備角色

    以下列出網(wǎng)絡(luò)中受現(xiàn)今現(xiàn)場總線架構(gòu)啟發(fā)的邏輯功能。為了運(yùn)行OPC UA TSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施這些角色并非嚴(yán)格強(qiáng)制。但是，沒有它們，啟動(dòng)和運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)將需要頻繁、大量的手動(dòng)干預(yù)。所有設(shè)備角色都是跨廠商的，因此可以實(shí)現(xiàn)互操作。

    應(yīng)用從站：這是具有最多實(shí)例的角色。它主要通過狀態(tài)機(jī)來管理其操作模式和一些遠(yuǎn)程配置功能。例如I/O、驅(qū)動(dòng)器和閥。

    應(yīng)用主站：傳統(tǒng)現(xiàn)場總線中的PLC或邊緣控制器的角色。從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的角度來看，應(yīng)用從站和應(yīng)用主站沒有區(qū)別。但是，就計(jì)算性能而言，應(yīng)用功能和TSN功能可能差別很大。

    配置服務(wù)器：這可以看作包含版本控制以及用于固件和配置的簽名二進(jìn)制文件的一個(gè)（分布式）數(shù)據(jù)庫。文件內(nèi)容是廠商特定的，可以是駐留在設(shè)備上的任何東西–從FPGA比特流、編譯的應(yīng)用程序代碼和配置文件，到圖像、數(shù)據(jù)表和維護(hù)視頻。

    網(wǎng)絡(luò)管理器該角色連接到工程工具，并保存關(guān)于應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息。網(wǎng)絡(luò)管理器通過啟動(dòng)過程引導(dǎo)所有設(shè)備，并觸發(fā)所需動(dòng)作，如地址分配和固件/配置更新。

    網(wǎng)絡(luò)管理器：該角色連接到工程工具，并保存有關(guān)應(yīng)用程序分發(fā)的所有信息。網(wǎng)絡(luò)管理器通過啟動(dòng)過程指導(dǎo)所有設(shè)備，并觸發(fā)所需操作，如地址分配和固件/配置更新。

    5.3  用戶角色

    除了設(shè)備角色（在授權(quán)執(zhí)行某些管理功能如升級設(shè)備固件的網(wǎng)絡(luò)上代表“用戶”）之外，一組針對人與網(wǎng)絡(luò)交互的預(yù)定義的用戶角色應(yīng)該是可用的，如管理員、用戶和維護(hù)。

    6 安全性和證書

    安全性可能成為區(qū)別OPC UA TSN和傳統(tǒng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵的功能特性，因?yàn)樗鼰o法被簡單地添加到系統(tǒng)中。用于實(shí)施電子安全工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62443 [17]，與針對功能安全的IEC 61508 [18]和IEC 61784-3 [19]一樣現(xiàn)已被廣泛接受。標(biāo)準(zhǔn)要求使用適當(dāng)?shù)挠布蛙浖_發(fā)過程。此外，它定義了五個(gè)安全防護(hù)目標(biāo)等級，從0（無）到4（防護(hù)具備高教育、高動(dòng)機(jī)和高資源的攻擊者）。對于每個(gè)等級，它定義了要求，并提出了與特定的設(shè)備實(shí)施相關(guān)的問題。

    6.1  證書

    證書是安全認(rèn)證的一種手段。OPC UA采用X.509證書。例如，為網(wǎng)絡(luò)管理器設(shè)備角色創(chuàng)建的新證書要求具備該角色的每個(gè)設(shè)備都要擁有實(shí)例證書，以便能夠配置和控制設(shè)備。所有其它設(shè)備都配有公鑰網(wǎng)絡(luò)管理器證書，因此可以建立一條信任鏈。此外，每個(gè)設(shè)備都附帶它自己的實(shí)例證書，它是從設(shè)備類型證書派生而來的，這個(gè)證書源自廠商證書。這樣就可以建立信任鏈，每家廠商都可以創(chuàng)建其自己的設(shè)備類型系列。設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)管理器證書可以在認(rèn)證過程中獲得。在首次認(rèn)證后，為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建和部署應(yīng)用認(rèn)證，用于進(jìn)一步認(rèn)證過程。

    6.2  證書類型

    •網(wǎng)絡(luò)管理器

    •網(wǎng)絡(luò)管理器實(shí)例

    •設(shè)備類型

    •設(shè)備類型實(shí)例

    •應(yīng)用程序?qū)嵗?/p>

    •（機(jī)器）配置

    7 結(jié)果

    7.1  時(shí)間同步

    時(shí)間同步的準(zhǔn)確度通常通過各種環(huán)境條件下的外部PPS引腳（每秒脈沖）測量[20]。圖13顯示了50個(gè)貝加萊IO設(shè)備在總線型拓?fù)渲惺褂?1AS的結(jié)果（實(shí)際上是第2部分介紹的測試設(shè)置中的一條線路）。

圖13   使用IEEE 802.1AS進(jìn)行時(shí)間同步測量的結(jié)果

    圖13  在50個(gè)設(shè)備的總線中使用IEEE 802.1AS進(jìn)行時(shí)間同步的結(jié)果。每10個(gè)設(shè)備進(jìn)行測量。在實(shí)驗(yàn)室條件下，PPS精度34的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)低于50 ns。

    相關(guān)注釋：

34在.1AS中的精確度是網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)時(shí)鐘間的絕對差值。在我們的實(shí)例中，我們時(shí)鐘對照祖時(shí)鐘。

    7.2  實(shí)時(shí)性能

    根據(jù)工程工具的能力，對OPC UA TSN系統(tǒng)的大小和復(fù)雜性沒有真正的限制。我們預(yù)計(jì)，中期將會(huì)出現(xiàn)多達(dá)10,000個(gè)設(shè)備的系統(tǒng)。

    對于單個(gè)設(shè)備，所實(shí)現(xiàn)的最小循環(huán)周期完全取決于所使用的硬件和軟件。我們期待設(shè)備很快具備10 µs循環(huán)周期。貝加萊的原型I/O站可在外部和背板總線上實(shí)現(xiàn)50 µs。假定有一個(gè)強(qiáng)大的PLC，其中200個(gè)可以在一根電線上運(yùn)行50 µs。

    7.3  用戶體驗(yàn)

    用戶體驗(yàn)的主要因素可以在設(shè)備或系統(tǒng)供應(yīng)商的工程工具中看到。通常在機(jī)械自動(dòng)化中，客戶的工程工具來自于PLC供應(yīng)商。但是，將IT和OT無縫融合到現(xiàn)場總線項(xiàng)目中可以實(shí)現(xiàn)比以往更高程度的自動(dòng)化配置，獨(dú)立于廠商，從而導(dǎo)致更少的人為干預(yù)35。此外，由于OPC UA和TSN并非緊密地綁定在一個(gè)特定廠商上，因此我們期待周圍的生態(tài)系統(tǒng)要比過去不同的現(xiàn)場總線大得多。

    相關(guān)注釋：

35例如，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)交換機(jī)的靜態(tài)配置可以通過工程工具自動(dòng)計(jì)算，并由PLC分配。

    8 結(jié)論與展望

    OPC UA TSN正在到來，它將在許多應(yīng)用中取代今天基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線。文中概述的主要原因是：

    •跨廠商

    •在其它領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

    •融合網(wǎng)絡(luò)

    •大而靈活的拓?fù)?/p>

    •完整的IIoT功能

    •無與倫比的性能

    •集成安全和

    •現(xiàn)代數(shù)據(jù)建模。

    針對工業(yè)應(yīng)用的相關(guān)OPC UA標(biāo)準(zhǔn)和TSN標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成，少數(shù)未發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在2018年年初發(fā)布。這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)由眾多國際市場參與者在國際試驗(yàn)臺如IIC上得到實(shí)施和測試，并取得了可喜的成果。目前，主要的芯片制造商正在制造適用于現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)的產(chǎn)品，以便很快就能與今天產(chǎn)品的成本相匹配。標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)卡可用于單端口設(shè)備，因此無論如何無需討論成本。對于雙端口設(shè)備，預(yù)期邊際硬件成本為0歐元，因?yàn)門SN將在不久的將來成為任何具有競爭力的工業(yè)級SoC的組成部分。因此，OPC UA TSN將變得很平常，就像以前的CAN一樣。