OPC UA+TSN：是否会让通用工业网络成为下一个风口？

摘要：工业网络的未来变得越来越光明。在围绕着工业以太网未来发展方向的一年中，最近的一项声明似乎已经解决了工业网络中一个迫在眉睫的问题。OPC基金会在2018年底宣布，它将积极推广其Publish-Subscribe模式，以便与现场级设备进行通信。此外，时间敏感网络（TSN）作为一种时间同步和确定性的机制，正在迅速获得业界人士的认可。这两种技术的结合为在工业中单一通用的以太网解决方案铺平了道路，有朝一日它们可能会取代今天的工业以太网解决方案。

通用工业网络的愿景

在网络方面，工业界已经两次错失良机：在20世纪80年代后期，世界其他地区将以太网作为唯一的网络标准；2004年，当以太网再度作为未来解决方案出现时，工业领域却未能就一个标准化的“工业”以太网达成一致。今天的结果是，虽然我们拥有满足行业要求的工业以太网，但它至少有六种类型，每种都有自己的协议，并且许多厂家都可以对其修改。

标准化的工业以太网协议的缺乏给很多企业带来了困扰。最终用户必须选择一种“版本”的工业以太网，这限制了他们的选择，并迫使他们选择一个“有围墙的花园”的可用产品。设备供应商必须为他们支持的每个以太网版本开发接口，这会增加开发成本并创造出更多的产品种类。这一战略的大赢家传统上是大型自动化供应商，由于与其青睐的网络“完美”兼容，他们可能已经销售了很多产品。

单一工业网络解决方案的愿景一直很简单：使用标准以太网，确保确定性能，并提供所有设备都能理解的单一通信协议。在工业物联网时代，这一愿景已经扩展到通用开发的信息模型，称为配套规范，用于帮助降低工程的设备和应用成本。

在过去两年中，各组织正积极努力帮助该行业实现这一愿景，主要采取了两项重要举措：1）IEEE以太网标准正在扩展到TSN，2）OPC基金会在设备方面正在积极推动订阅模型的使用。这对所有业内人士来说都是好消息！

网络有什么用呢？

诸如工业4.0和工业物联网之类的计划已经对制造过程中的数据产生了巨大的需求，并且要实现这些计划需要将系统和设备连接起来。网络显然是连接的关键要素。不幸的是，现有的工业网络经过多年的演变，已满足新的要求，但从未有什么创新用于应对工业物联网的新挑战。

制造业的未来将包括网络物理系统，智能设备和自主模块化系统。仅提供足够的带宽来处理更大的数据流是不够的。未来的工业网络需要集成到具有复杂安全性的企业网络中，以防止未经授权的进入，同时为公司人员和可信赖的外部合作伙伴提供恰当的访问级别。信息模型将允许在设备和进程之间智能地映射数据传输，而配套规范将为软件组织和应用程序的特定语义提供标准模板。

对于工业网络，IT/OT融合不仅意味着对所使用的技术进行现代化，还意味着扩展网络在自动化架构中的作用。

OPC UA和TSN：自动化架构变革的催化剂

今天工业以太网的致命弱点是：1）没有单一的，独立于供应商的通信协议; 2）没有确定性行为的标准机制; 3）使用经过修改的非标准以太网。以太网规范缺乏特定的工业特性，促使自动化供应商在21世纪初开发自己的解决方案。如今，随着该行业经历数字化转型，对单一标准化解决方案的呼声空前高涨，尤其是在OPC统一架构（OPC UA）和时间敏感网络（TSN）两个概念提出后。

OPC UA：适用于所有人的一项协议书
工业设备通过说出相同的“协议”（一组用于交换数据的读写命令）来相互通信。今天使用的大多数协议最初是由自动化供应商开发的，作为专有命令集。OPC UA是作为不同协议之间的“粘合剂”创建的，以允许来自不同供应商的PLC等工业设备相互通信。现在，OPC产品已经发展成为一个独立于平台和供应商的通信包，由OPC基金会（一个行业联盟）开发和维护。与多个的工业网络组织不同，该基金会没有竞争，并得到了工业界的普遍支持。

OPC通信最初是为对等层开发的，用于在设备之间交换消息（数据块）。不同制造商的控制器和工业PC使用它来共享非时间关键数据，如配方或配置信息块。为了实现控制器和IO模块以及其他现场设备之间的实时数据交换，使用了传统的工业网络以及相关协议。OPC和特定网络的这种混合解决方案现在已经普遍使用。

OPC UA降至现场级别
在2018年，OPC基金会发布了OPC UA的主要扩展，可以实现和现场级设备的通信。该规范称为Publish-Subscribe（PubSub），它向OPC UA添加了控制IO和其他现场设备所需的时间关键行为。同年晚些时候，基金会宣布了一项旨在确定OPC UA和相关TSN协调要求的倡议。该公告得到了全行业自动化供应商的支持，证明OPC UA和TSN的结合是目前工业网络中缺失的环节，可能为实现单一工业网络的愿景铺平道路。最终，成功与否还是要看各成员公司的动作，但很难相信一个行业中有这么多人同时朝着同一个方向而努力。

TSN标准化了以太网的确定性行为
除OPC UA外，其他改变该行业规则的技术是时间敏感网络（TSN）。该定时机制最初是为汽车行业开发的，但已被证明是工业应用的理想选择，因此成立了一个联合工作组，为工业自动化定义一个TSN配置文件，并为IEC和IEEE制定联合标准。

TSN现在是以太网规范的重要组成部分，几十年前，因为缺乏这种确定性机制，使得工业界一直不看好以太网。这也是供应商不停修改以太网协议以满足工业要求的原因，以至于目前存在六种不同的的工业以太网版本。

工业网络政治

OPC UA和TSN技术的结合为工业网络的未来奠定了基础，但这也威胁着现有的工业网络，并使一些供应商对其产品战略的可行性感到担忧或担心TSN的发展速度过快。但是在2018年，OPC成员达成了妥协。根据公告，OPC基金会现在将积极推广其PubSub模型，以便进行现场通信。

OPC UA TSN：Shaped by the Shapers
OPC基金会最初并没有积极地将PubSub推广到实地。作为回应，大约有15家自动化供应商组成的集团，由B&R和TTTech公司牵头，在2016年制定了一个名为Shaper Group的计划。Shapers积极游说，以OPC UA和TSN为基础，快速开发“传感器，执行器，控制器和云之间的开放，统一，基于标准的IIoT通信解决方案，满足工业自动化的所有要求”。2018年，Rockwell自动化加入该集团，带来了其在北美市场的影响力。

随着OPC基金会的宣布，组织将开始积极推动基于TSN的OPC UA作为传统主/从IO通信协议的替代方案，因此2018年底避免了一场工业互联网战争。该决定消除了企业对通用工业以太网未来的疑虑。这一决定是Shaper集团的一次胜利，该集团在实现其目标后可能会解散。但这一决定有很多含义：随着工业网络的未来发展，自动化供应商现在有责任在现场设备上通过TSN实施OPC UA，提升其优势，并为用户提供清晰的迁移路径。

隐藏的宝藏：OPC UA中的配套规范

配套规范是一种信息模型，它描述和标准化语义和通信接口，适用于从设备（如传感器或机器人）到应用程序（如塑料注塑或机器视觉）到整个工厂流程的任何事物。配套规范可以大大减少设计和集成工作，从系统设计到调试，允许用户将一个预先设计好的模板应用到一个新的应用程序。

配套规范的使用有助于自动化生命周期的所有阶段，从使用通用语言描述招标过程中的应用程序要求，到标准化不同机器制造商的机器的维护程序。虽然许多配套规范已经发布，但随着OPC UA获得认可，肯定会有更多配套规范发布。

从6到1：如何迁移到工业网络的未来

现有的工业网络不会在一夜之间消失。最可能的迁移方案是新旧网络将共存多年。最终用户可以在感觉时机成熟时自由迁移，供应商有机会根据市场需求协调产品开发。大多数工业网络联盟目前都在支持TSN的实现，而以太网对多种协议的支持意味着可以在同一网络上并行地使用OPC UA和旧的协议。

另一种选择是引入全新的基于OPC的以太网通信接口，并在相当长的时间内保持现有的“开放-专有”产品在市场上并行，以支持已有的安装基础。

注意设备安装基础
工业以太网设备安装基础的惯性很高，因此向新的通用工业网络过渡将是一个缓慢的过程。实际上，在各种基于以太网的工业网络消失之前，这可能需要很多年，甚至一代人的时间。在此之前，自动化供应商习惯于在产品退役后提供15年的备件。

结论

为了满足数字化世界中连通性的新要求，工业界需要一个新的、统一的工业网络解决方案，以取代目前分散的、非标准的以太网网络环境。最近的事态发展表明，工业界正走在正确的轨道上，以避免过去犯下的错误。为了应对这些新挑战，以下几个建议作为参考。

• OPC基金会应该发挥领导作用，积极推动这种新的、通用的工业网络作为一个完整的解决方案，而不仅仅是通信协议和配套的规范。
• 产业联盟和利益集团应该在IEEE802工作组中获得影响力，以确保在网络技术发展过程中考虑到行业用户的特殊需求。
• 自动化供应商应该向客户介绍通用工业网络的需求和优势。首先采取行动的公司现在有机会在一个利润丰厚的市场中找到自己的位置，这个市场的特点是开放性和普遍性，而不是专有技术和“有围墙的花园”。
• 机器制造商和工艺设备供应商应该加入opc基础工作组，创建配套的规范，而不是将此留给自动化供应商。目前在这方面做的比较好的是机器人，机床和注塑机制造商。

原文链接：
https://www.arcweb.com/blog/how-opc-ua-tsn-driving-creation-universal-industrial-network