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工业4.0数字化互联网:OPC-UA-TSN通讯协议(TSN与OPC-UA的融合)

(2018-06-03 20:22:57)
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opc-ua-tsn通讯协议

分类: 工业4.0/数字化/人工智能

【0. 前言】

 

作为 IEEE 的最新核心技术,时间敏感网络(TSN)已经开始在工业物联网应用:IEEE TSN 工作组已完成了实施 TSN 所需的核心标准,业界也开发出支持 TSN 技术的首批产品。OPC UA 已经是工业 4.0 与工业互联网的核心通讯层面协议之一,进一步融合 TSN 以后, OPC-UA-TSN 更加强大有望成为超级标准,值得重点关注了解。因此自学了一些公开信息(主要来源微信公众号:说东道西、控制工程中文版等)结合自己所学所想归纳如下。

更多关于 OPC UA TSN 的 IEEE 官方资料详见:http://www.ieee802.org/1/files/public/

 

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【1. TSN: Time Sensitive Network 总论】

 

【1.1. TSN: Time Sensitive Network 是什么?】

 

TSN 是一项从视频音频数据领域延伸到汽车领域,并进一步推广至工业领域的通讯技术。最初 IEEE802.1D 与 IEEE802.1Q 无法满足工业自动化需求,因此不同组织开发了自己的非标工业以太网,形成今天各家世界级自动化控制厂家工业通讯协议(现场总线与工业以太网)争夺标准而混战的江湖格局。这个工业通讯江湖中目前的顶尖流派有:PROFINET、EtherNet IP、CC-Link IE、EtherCAT 等等,并且这些绝顶高手都已经开始或已经融合 TSN 技术,以顺应工业4.0数字化时代彻底互联互通的重大趋势。

 

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2006 年 IEEE 组建了 AVB(Audio Video Bridging)任务组,到 2012 年 AVB 终于开发出适合工业自动化应用的 IEEE 802.1,也就是现在所称的 TSN。

 

AVB 工作组涉及的标准包括:1)IEEE Std. 802.1AS-2011:通用精确时钟协议,在 Layer 2 的 IEEE1588 精确时钟协议规范;2)IEEE Std. 802.1Qav:时间敏感数据流转发以及队列(FQTSS),特定 Credit-Based Shaper (CBS);3)IEEE Std. 802.1Qat:流预留协议,时间敏感性数据流注册与预留;4)IEEE Std. 802.1BA:AVB 系统,提供整体 AVB 架构和 AVB 规范,5)CBS + SRP:提供 250 μS 以下的桥连接。

 

AVB 并非适合于所有产业,因此在 2012 年 IEEE AVB TG 被重命名为 TSN TG,到 2015 年 Interworking TG 与 TSN TG 合并成为新的 TSN 任务组。

 

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【1.2. TSN: Time Sensitive Network 为何备受关注?】

 

工业 4.0 智能制造时代急需 IT 与 OT 融合实现整个数据透明下的协同制造,但是目前存在诸多障碍,包括:

 

1)各个厂家的总线配置太复杂了:不仅给 OT 端带来了障碍,且给 IT 信息采集与指令下行带来了障碍,因为每种总线有着不同的物理接口、传输机制、对象字典,即使采用以太网来标准各个总线,但是仍然会在互操作层出现问题,这使得对于 IT 应用,如大数据分析、订单排产、能源优化等应用遇到了障碍,需要每个厂商根据底层设备不同写各种接口、应用层配置工具,对于依靠规模效应来运营的 IT 而言复杂度过高,缺乏经济性。2)周期性与非周期性数据的传输:对于 OT 而言,其控制任务是周期性的,因此采用的是周期性网络,例如轮询机制,由主站对从站分配时间片的模式,而 IT 网络则是广泛使用的标准 IEEE802.3 网络,采用 CSMA/CD 冲突监测防止碰撞的机制,而且标准以太网的数据帧是为了大容量数据传输,如文件、图片、视频/音频等。3)实时性的差异:对于微秒级的运动控制任务的 OT 而言,要求网络必须要非常低的延时与抖动,而对于 IT 网络则往往对实时性没有特别的要求,而对数据负载有着要求。

 

TSN 的出现,有助于解决上述几个障碍:1)通过单一网络来解决复杂性问题,与 OPC UA 融合来实现整体的 IT 与 OT 融合。2)周期性数据与非周期性数据在同一网络中得到传输。3)平衡实时性与数据容量大负载传输需求。因此 TSN 被各大 OT 厂商共同关注,希望将其引入制造业以解决现实中的融合问题,否则,网络将成为推动智能制造的第一个难点。

 

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【1.3. TSN: Time Sensitive Network 技术要点概述】

 

IEEE802.3 开发并维护以太网 PHY 和 MAC 标准,IEEE802.1 开发并维护 Bridging(AKA Switching)标准。通过 AVB,以太网进入了实时应用领域,通过 TSN,以太网进入硬实时应用。TSN 采用全局时间以及一个时间表,让报文穿越多个网络组件,通过定义一个时间表用于传输报文,从而确保较低延时传输。

 

TSN 目标:1)针对交换网络的报文延迟得到保障;2)严格的非严苛数据与时间严苛型报文可以在一个网络中传输而无需担心数据碰撞;3)更高层协议可以通过实施控制报文机制分享网络基础设施;4)在无需网络或设备变动情况下将组件添加至实时控制系统;5)网络错误可以通过在源头更为精准的信息而被诊断并更快的维修。

 

TSN 在 ISO-OSI 模型中的位置:仅仅是对 MAC层的定义,即对数据帧进行处理的过程。TSN 所处的位置在 OSI 七层模型的第二层,处理数据的调度、以太网数据包的封装与解包任务。

 

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TSN 的核心任务:解决时钟同步、数据调度与系统配置三个问题。1)所有通信问题均基于时钟,确保时钟同步精度是最为基础的问题,TSN 工作组开发基于 IEEE1588 的时钟,并制定新的标准 IEEE802.1AS-Rev。2)数据调度机制:为数据的传输制定相应的机制,以确保实现高带宽与低延时的网络传输。3)系统配置方法与标准,为了让用户易于配置网络,IEEE 定义了相应的 IEEE802.1Qcc 标准。

 

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TSN 的参考网络架构:每个节点都有对应的同步时钟以及数据队列,看上去像是个路由网络,但 TSN 仅占有 MAC 层的定义。Talker 的信息要抵达 Listener 需要经过几个桥接过程,而在每个节点上都会有分布式时钟进行时间的同步计算,而队列用于处理数据的优先级、包括为了高动态数据的快速通道方式、抢占式机制。

 

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【1.4. TSN: Time Sensitive Network 相关技术标准】

 

IEEE802.1 实时工作组,专门开发TSN的标准,以及组织企业的测试等工作。

 

1)IEEE802.1AS-Rev 时钟同步架构:实现高精度的时钟同步。对于 TSN 而言,其最为重要的不是“最快的传输”和“平均延时”,而是“最差状态下的延时”,对于确定性网络而言,最差的延时才是系统的延时定义。

 

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2)IEEE802.1AS-Rev 的分布式时钟网络:以太网第二层所定义的 1588 规范,它的修订包括了对链路聚合 802.1AX 的支持,包括 1 步时间戳标准化处理以及针对长链、环的支持,更好的响应能力,更快的主站交互、降低 BMCA 收敛时间;支持多域的同步信息传输以及冗余支持能力,可配置冗余路径和冗余主站;对无线网络采用时间测量,提供更好的支持。

 

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3)IEEE802.1Qbv 时间感知队列:TSN 的核心在于时间触发的通信原理,在 TSN 网络中有“Time-aware Shaper-TAS”概念,这是确定性报文序列的传输方式,被标准化为 IEEE802.1Qbv。通过时间感知整形器(Time Aware Shaper)概念,我们可通过 TSN 使能交换机来控制队列报文,以太网帧被标识并指派给基于优先级的 VLAN Tag,每个队列在一个时间表中定义,然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在预定时间窗口里,因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。因此每个交换机的延迟是确定的,而在 TSN 网络的数据报文延时被得到保障。

 

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TAS 介绍了一个传输门概念:这个门有“开”、“关”两个状态。传输的选择过程:仅选择那些数据队列的门是“开”状态的信息。而这些门的状态由网络时间表进行定义。关闭到非时间表的门是另一种提供对时间严苛型报文进行带宽与延时保障的方法。TAS 保障时间严苛报文免受其它网络信息的干扰,它未必带来最佳的带宽使用和最小通信延迟,如果当这些因素真的非常重要时,我们还可以额外使用抢占机制。在网络进行配置时队列就分为 Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic 三种,对于 Schedule 而言则直接按照原定的配置时间通过,其它则按优先级。Qbv 主要为那些时间严苛型应用而设计,其必须确保非常低的抖动和延时。Qbv 确保了实时数据的传输,以及其它非实时数据的交换。

 

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4)IEEE802.1Qbu 与 IEEE802.3br 转发与队列机制:对于高带宽的非时间严苛型应用而言,Qbu 设计了抢占机制,当出现优先级更高数据包传输时,立即中断当前传输,被中断的传输从中断点处被重发。IEEE 802.1Qbu 与 IEEE 802.3br(IET 分散快速报文)一同工作于标准化的抢占机制上。该标准能够解决 IEEE802.1Qbv 所描述的 TAS 为避免传输抖动而在严苛型数据帧到来之前,锁存低优先级序列的问题(在1最大干扰帧持续时间内)。

 

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在支持由 IEEE 802.1Qbu 定义的优先级的链路上,我们可以中断标准以太网或巨型帧的传输,以允许高优先级帧的传输,然后在不丢弃之前传输被中断的消息。有几种用于抢占正在进行的传输的通信选项是有利的,例如,以允许即时传输预定的消息并确保最小的通信延迟,或者促成具有大量预定流量的网络链路上的最大带宽使用率。对于 IEEE802.1Qbu 的抢占而言,正在进行的传输可以被中断,报文按等级可被分为可被抢占和抢占帧,抢占生成框架,最小以太网帧受到保护的,127 字节的数据帧(或剩余帧)不能被抢占。 

 

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可抢占 MAC 与快速 MAC:IEEE802.1br 设计了快速帧的 MAC 数据通道,可以抢占 Preemptable MAC 的数据传输。IEEE802.3br 也可以与 IEEE802.1Qbv 配合进行增强型的数据转发。

 

5)IEEE802.1Qcc 系统配置:Qcc 用于为 TSN 进行基础设施和交换终端节点进行即插即用能力的配置。采用集中配置模式,由 1 或多个 CUC(集中用户配置)和 1 个 CNC(集中网络配置)构成。CUC 制定用户周期性时间相关的需求并传输过程数据到 CNC,CNC 计算 TSN 配置以满足需求。CUC 用于 OPC UA Pub/Sub;CNC 用于 OPC UA C/S,也会有其它用于应用协议。如安全。配置采用标准化的配置协议(TLS 上的 NETCONF)以及匹配的配置文件(YANG),如果单一设备则 CUC 和 CNC 并不牵扯协议。如果 CUC 和 CNC 是在分布式网络,则 RESTCONF 用于他们之间的通信协议。以下图片示意了 IEEE802.1Qcc 的 CNC 与 CUC 的配置,对不同的 Qbv、Qbu、QCB 的配置。

 

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6)IEEE802.1CB 冗余数据传输:为了实现冗余管理机制以实现 HSR(高可用无缝冗余-IEC62439-3)和 PRP(并行冗余协议,IEC62439 C4)。为了增强可用性,报文被冗余拷贝在一个并行的网络通道里。现存的标准,路径控制与预留 IEEE802.1Qca,定义了如何设置此路径。冗余管理机制将这些冗余帧合并并产生一个独立的信息流到接收端。TSN 工作组已经实现这一标准的最终版本。

 

7)TSN 相关标准及进程:IEEE TSN 工作组正在推动相关的标准的落定,相关标准与 2017 年进程如下所示。

 

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【1.5. TSN: Time Sensitive Network 与 OPC UA 打造全新的全集成互联架构】

 

对于传统的工业实时以太网技术而言,由于其仅为在软件协议栈方面的修改,因此,其从原有的 IEEE802.3 网络转至 IEEE802.1 的 TSN 网络,可以直接采用 TSN 网络来实现,而无需修改原有协议栈。应用层可以采用 OPC UA 的机制,并且支持 Pub/Sub 机制。1)TSN 将为工业网络开启关键控制应用,例如机器人控制,驱动器控制和视觉系统。这种连通性可以让用户和供货商更容易从这些系统中获取数据,并对这些系统提供预日常的防性维护和优化。2)支持快速生产重构,降低工厂停工时间。3)在整个工厂诊断集成中提高正常运行时间。

 

【1.6. TSN: Time Sensitive Network 的推动成员与测试平台】

 

在 2016 年的 SPS 上各个厂商宣布了对 OPC UA TSN 的支持,包括了 ABB、B&R、Bosch、Rexroth、CISCO、GE、NI、KUKA、Parker、Phoenix、Schneider、SEW、TTTech 等主流自动化与 IT 厂商。当前在 NI 有针对 OPC UA+TSN 的 Testbed,而来自于对 TSN 支持的各个厂商正在对其进行测试与互操作测试。

 

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TSN 测试台特点:1)基于 IEEE 802.1 时间敏感网络(TSN)的单独网络上结合各种临界流;2)展示使用标准的聚合性的以太网的实时性能和不同供应商产品的协同性;3)展现 IIoT 在高性能和延迟敏感应用合作方面的能力;4)提供智慧边缘云控制系统与 IIoT 基础设施及应用的集成要点;5)机器人,多轴运动机器,视觉,IO和机器健康/诊断的混合重构生产;6)M2M 层和 IIoT 层集成。

 

TSN 设备测试内容:1) 在不同的供应商之间建立TSN流;2)显示 TSN 保护来自于高带宽流的临界流能力;3)非 TSN 流进入 TSN 流的网关;4)CUC 到 CNC APIs(TSN 流要求)的测试;5)CNC 到网络基础设施(预定分布)的测试;6)TSN 上 OPC UA Pub-Sub 的数据一致性。

 

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TSN 预示着 IT 与 OT 的融合,这将为未来的 OICT 融合、边缘计算、工业物联网打通数据链路。

 

【2. OPC-UA-TSN 总论】

 

【2.1. OPC-UA-TSN 是什么?】

 

前篇1 http://blog.sina.com.cn/s/blog_a68809ea0102vk1p.html

前篇2 http://blog.sina.com.cn/s/blog_a68809ea0102w1qn.html

 

OPC UA 是针对嵌入式应用的 OPC 通讯标准的重大发展,旨在为嵌入式设备在较小空间内优化性能,包括:1)用于描述数据的源模型;2)用于交换和浏览信息的通讯基础结构;3)带有内置的安全模型,可以根据 IEC62443 来实施安全系统。但是 OPC UA 目前不太适合用于现场级通讯控制,限制了其一网到底的能力。

 

OPC UA TSN,就是时间敏感网络 TSN 与 OPC UA 的融合,将 IT 和 OT 无缝融合到工业通讯项目中,从传感器到云端建立全面的通讯基础结构。TSN 能把 PROFINET 等实时以太网现场总线和 OPC UA 共享到同一个通讯设施上,识别底层 IO 设备,所以实现了从现场层、控制层、管理层直到云端的数据通讯。OPC UA TSN 并不会与某特定厂商绑定,从而减少出于非技术原因的人为干预,其适用性比过去各种不同的现场总线宽广得多。

 

【2.2. OPC-UA-TSN 对工业数据通讯金字塔结构的变革】

 

今天的工业数据通讯,主要是按照自动化系统金字塔来组织的:在塔顶的计算机层,使用标准的 IT 协议(互联网协议)。对于机器间和过程通讯(分布式控制器层)而言,相较传统的基于以太网的 M2M 现场总线系统(例如:PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus/TCP、CC-Link IE、POWERLINK、SERCOS III),而 OPC UA(IEC 625412)的重要性正在迅速提高。在机器内部(设备和传感器层),具有硬实时能力(也被称为实时以太网)的协议占据主导地位。虽然这些技术有着共同的要求,但是它们的实施差别很大。因此,比较它们是一件复杂的事情,并且很大程度上取决于预期的应用(过程控制、运动、I/O、集中式和分布式控制等)。而未来使用OPC UA(和 TSN)实现从传感器到云端的全面通讯,有望提升构建一网到底智能制造 CPS 的效率。


 

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【2.3. OPC-UA-TSN 通讯协议的一些性能参数概述】

 

通常会分成低速与高速两大类 Case 进行比较:1)最小循环周期比较@100Mbit:TSN 转发延迟 3µs;2)最小循环周期比较@1Gbit:TSN 转发延迟 780ns;3)OPC UA TSN @1GBit 的最小循环周期与现有技术比较,比较过程中用到的方程参数对于每个厂家来说众说纷纭,所以此处不赘述。比较的前提是:总线型拓扑,输出数据 = 40% 的输入数据,交叉通信用于 20% 的设备,常用术语如下。

 

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实际应用中,这种比较取决于许多其它参数:1)输入数据与输出数据的比率;2)具有直接交叉通信的设备的百分比;3)利用不同的循环周期;4)拓扑结构(总线型、星型、环型),以及设备之间的跳数;5)带有自己背板总线的模块化 I/O 的可用性。在具有较高性能要求的应用中,转发延迟短的设备至关重要,OPC UA TSN 循环周期的计算是基于基础结构与基于交换式以太网两者的组合,可实现的循环周期更低,大约低了 18倍,若现今的现场总线技术机制不变,相比具有千兆位电路的假想设备则低了近 2 倍。

 

【2.4. OPC-UA-TSN 与传统现场总线兼容性强,市场推广潜力较大】

 

开发 OPC UA TSN 的公司拥有多种 TSN 标准,可选择正确的功能特性。一种新通讯技术,匹配传统技术,外推到整个工业自动化市场,如果想要得到广泛采用,其解决方案必须同时支持所有当前使用的工业通信类型。这些工业通信大多数都考虑到了区分周期性和非周期性通信,但在细微差别方面又有所不同:从每个循环拥有不同发送、传播和接收周期的硬实时通信;到有或无时间同步的周期性通信;到多种来源的非周期性通信,例如其中的 TCP/IP 在有些情况下,网络控制、诊断信息和用户控制消息有不同的优先级。一个融合的网络需要支持所有这些工业通信类型,即使不在特定应用中使用,用于实施的形成机制的选择需具备全球化标准。TSN 保证了不同通信类型共存的可能性,同时保留实时通信的定时特性。一些现有的实时网络(例如 PROFINET、EtherNet/IP)使用通信规划和 QoS 来保证在设备运行良好条件下的行为。由于将 TSN 用作数据链路层,因此这些技术可以更好地利用带宽效率,因为 TSN 无条件保护了高优先级的通信。

 

【2.5. OPC-UA-TSN 测试平台的设置】

 

百兆工业以太网技术已经达到了非常高的成熟度,这意味着几乎所有的现有设备都能够提供全面的网络性能。而对于千兆技术而言,事实并非如此。因为千兆将交换网络的性能提高了约 10 倍。帧聚合、优化标头和超低直通延迟可以进一步提高约 2 倍。为了在真正的产品中利用该性能,其许多组件都需要进行优化。许多原型设备已经实施并测试,例如在 IIC 试验台上:1)基于运行 Linux 的单端口工业 PC,2)模块化 I/O 模块的头站,具有两个外部网络端口,也运行 Linux OS。测试设置的主要拓扑结构与设备构成如下,包含;数字量 I/O 模块、工业 PC、高清摄像头、标准工业面板、工业 TSN 交换机,200 个设备部署在四条总线中,每条线 50 个设备。

 

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【2.6. OPC-UA-TSN 通讯技术标准概述】

 

下图说明了 OPC UA TSN 所使用的协议、服务的概述、以及它们如何适应 ISO/OSI 参考模型的各层。

 

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1)物理层:基于铜 Fast Ethernet(100BASE-T/T1)、Gigabit Ethernet(100BASE-T/T1);基于光纤 Fast Ethernet(100BASE-T/T1)、Gigabit Ethernet(100BASE-T/T1),对于过程自动化,已经成立了一个工作组来开发十兆单双绞线以太网(10SPE),该介质可以促使以太网传播至更小、成本更敏感的传感器、执行机构设备、以及 Zone 1 防爆危险区。

 

2)数据链路层:802.1 标准化了以太网交换机(称之为"网桥"),802.3 标准化了以太网端点。与工业通讯相关的标准:IEEE 802.1AS-Rev:IEEE 1588-2008 时钟同步标准的协议是为解决导致 IEEE 802.1AS 中更大的以太网系统而开发和采用的。可惜两者并不兼容。在 TSN 工作组中,正在开发 IEEE 802.1AS(.1ASRev)的修订版。此修订版解决了最高级冗余和多时钟域(例如,同时分配工作时钟(同步传输的基础)和挂钟(例如,记录消息))的机制。.1AS-Rev 计划于 2018 年发布;出于互操作性和接近最终方案的考虑,建议机器、工厂和过程自动化厂商实施 .1AS(而不是 IEEE 1588)。另外 802.1AS 是 AVnu 和 IEEE TSN 任务组推动的默认解决方案。IEEE 802.1Qbv:用于实时保证的同步传输。它规定了传输窗口,以保证有界延迟和较小抖动。Qbv 也可以周期性地给予出口队列优先接入线路,所以它也可以提供带宽保证。IEEE 802.1Qav:可用于周期性传输,以保证某些通信类别拥有带宽预留和有界延迟。主要的应用是音频/视频广播。IEEE 802.1Qcc:该标准提供了用于 TSN 配置的协议、程序和管理对象的规范,主要用于已经运行的系统,具有三种配置模型:完全集中式模型,适用于所有 TSN 机制,在使用 Qbv 时是必备的;完全分布式模型,适用于无需改变调度(或不使用 Qbv 机制)时;集中式网络/分布式用户模型。由于同步通信经常用于工业网络,Qbv 机制的使用是必然的,因此我们使用完全集中式的配置模型。该模型指定了 CUC(集中式用户配置)和 CNC(集中式网络配置)功能。CUC 指定了关于循环周期和传输的过程数据的用户要求,并将其传输给 CNC。CNC 会计算 TSN 配置,包括通讯调度必须通过使用标准的 YANG 模型满足要求。CNC 使用基于 YANG 的管理协议(如 NETCONF over TLS)将配置分配给交换机(网桥)。CNC 将端点配置发送到 CUC。RESTCONF 应用作 CUC 和 CNC 之间的通讯协议。CUC 然后将端点配置分发到相应的端点。TSN Configuration Broker (TCB):Qcc 不会进一步指定协议以及 CUC 和端点之间的功能(因为这是专用的)。当工作在 OPC 基金会 TSN 工作组内针对基于 OPC UA Pub/Sub TSN 的系统的标准 CUC 接口上时,所有 CUC 的共同功能已被确定和进一步明确。TSN Configuration Broker (TCB) 一方面从端点提取出了不同的 IEEE Qcc 配置模型,另一方面为流预留/实例提供了标准化的功能。TCB 由驻留在端点的 TCB 客户端和集中式 TCB 服务器组成。TCB 客户端与服务器之间的 PTCB 协议非常轻便。除了通常适用于所有 CUC 之外,这是一种接收基本网络配置的有效方式,特别适用于几乎不需要应用程序配置的资源受限设备(因此没有可用的 OPC UA 客户端或服务器)。IEEE 802.1CB:用于为环型和网格拓扑提供无缝冗余。1CB 允许冗余规划在每个数据流的基础上,这样可以实现比传统冗余解决方案更好的带宽效率。

 

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IEEE 802.1Qbu & IEEE 802.3br(可选)在使用调度(Qbv)机制的情况下,帧抢占可以用来最大化尽力而为业务的吞吐量。抢占不适合尽力而为以外的通信类型,因为它会使这些通信类型的任何保证无效。然而在千兆的情况下,尽力而为的增益微不足道。IEEE 802.1CS(可选)AVB 的流预留协议扩展。该项目刚刚发起。它定义了一个可供选择的目前不兼容的配置路径(也称为"完全分布式配置模型"),适用于 III 类通信(和尽力而为)的应用,因此在工业应用中的使用有限。综上,强制性标准是 .1AS(-Rev)、Qbv、.1CB 和具有完全集中式模型的 Qcc,再加上 NETCONF over TLS。AVnu 联盟正在定义实施这些标准的一致性和互用性准则。

 

3)第 3~6 层:对于 OPC UA 客户端/服务器,支持带可选安全(TLS)的 TCP/IP 连接。对于 Pub/Sub 连接,支持 UADP25 over UDP/IP 或直接在原始以太网上的 UADP。安全在 UADP 层中进行处理。UADP(即云协议)的其它传输选择超出了本文的范围。NETCONF 也使用带 TLS 的 TCP/IP。对于设备上的固件升级和 Web 应用程序,可选用 HTTP(S)。

 

4)应用层:OPC UA 在应用层上采用包括支持客户端/服务器和发布/订阅通讯模型。所有设备上的 OPC UA 服务器应支持嵌入式服务器协议。对于资源有限的设备,只能利用发布功能提供数据和 TCB 客户端进行网络配置。客户端/服务器:用于设备配置、浏览信息模型、记录诊断信息等的通讯模型。对于安全应用程序,设备配置应提供数据完整性(签名)和可选的机密性(加密)。发布/订阅(简称:Pub/Sub):用于循环传输的通讯模型。通过使用基于 OPC UA 消息的安全,可选签名和/或加密。具有静态数据集偏移的标头协议可用于在终端站中高效地提取数据集。

 

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上图是个网络调度示例:调度中同步输入帧的时空图,在主站内端口的 Qbv 门控事件,在 S5 左端口的 Qbv 门控事件,它有一个主站(M)和七个从站(S1…S7)。在类型 1 中,所有从站都向主站发送相同大小的帧。调度计算是这样的,帧一个接一个不停地达到主站,在那里第一个从站在循环开始处发送它的帧。关于主站内端口的 Qbv 配置,它在那里接收帧(循环开始于 90°)。类型 1 的门在循环开始(t0)不久打开,并保持打开,直到接收到所有帧后关闭(t1)。在这段时间里,没有其它门打开。之后,类型 2-8 的门同时打开。类型 2 在所有剩余时间内保持打开,给予网络控制通信最高优先级(如果发生这种通信)。接下来,类型 4 的门关闭(t2),给予类型 5 一些时间,具有最高优先级等等(t3、 t4)。显示了 S5 左端口的 Qbv 配置。类型 1 的门向朝向主站的三个帧(t0…t1)打开,随后打开其它类型的门。因此,在整个网络中,类型 4 至 6 和 8 的带宽保证是相同的。

 

5)其它所需功能特性:设备角色,第 5 部分介绍了协调 OPC UA TSN 设备的网络启动和操作所需的功能特性。角色(几乎)独立于运行的硬件。状态机:工业网络中的终端站必须有统一的行为,它根据状态机定义(见第 IV 部分)。这使得中心实例(即网络管理节点)协调整个网络成为可能。许多工业以太网解决方案实施的状态机基于 CiA 的想法。拓扑检测:实时通信的调度需要详细了解网络拓扑结构。拓扑可以在配置工具中进行检测(使用 LLDP)和导入,或离线创建。CNC(第 5 部分)使用此信息来计算 Qbv 和 Qav 的配置。直通交换:在交换式网络上可实现的循环周期性能很大程度上取决于帧传输的延迟。特别是对长的总线型或环型拓扑构成了挑战。因此,直通交换(一旦地址信息被解码就转发一个帧)构成了现场设备中 3 端口交换机不可或缺的一个功能特性。在使用千兆物理层时,转发延迟包括远低于 1µs 的 PHYs 是必需的,即 800ns。设备子协议:在工业通讯系统中,每个 OSI 层都需要确保互操作性。违反互操作性的最低层构成了整个系统互操作性的最高层,独立于任何更高层。传统工业以太网系统仅共享相同的物理介质(电缆、插头),即层 1,为了防止 OPC UA TSN 技术陷入相同的困境,其目标是使用所有七个 OSI 层(用于设备间通讯)共同实施,此外还具有标准的设备子协议和特定类型的设备子协议。设备描述文件:在 OPC UA 领域内,一个设备由其服务器实例来表示,其功能特性可以随时在线浏览。虽然在线浏览对一些工业用例就足够了,它们具有很高的重复程度,如连续机器制造,但仍要求离线方法用于对设备进行配置和编程。因此,设备的所有相关功能特性(OPC UA、应用程序和网络功能)都需要在文件中进行描述,从而替代对设备的在线访问。

 

【2.7. OPC-UA-TSN 通讯的配置与启动】

 

几乎所有现场总线系统,无论是否基于实时以太网,都提供网络管理的机制。这些机制会启动网络设备,通过一系列状态将其转换为操作状态;启动设备检测,在运行时处理和发出错误信号;或者执行必要的程序来替换故障设备。状态和状态转换包括网络设备识别等功能(确保设备可以在网络上到达,匹配预期的厂商/型号等)。它们也可用于执行任何必要的配置/固件更新,随后通知设备传输有效的过程数据(如果设备上的应用程序准备好这样做),并评估收到的过程数据(如果控制网络的中央网络实例决定这样做)。在各种现场总线系统中,许多现有的网络管理实施将所有这些功能结合在一个设备中(即PLC)。这项工作的目标明确,就是将这些功能分离和解耦成所谓的设备角色,这样理论上每个角色都可以在网络内的不同设备上实施。多实例和设备角色冗余也应解决。如下图所示,不同角色及其通讯关系,启动时通过终端设备的状态机进行漫游。状态本身是强制性的。但是,如果地址和配置进行本地存储,那么大多数状态可以快速通过。

 

工业4.0数字化互联网:OPC-UA-TSN通讯协议(TSN与OPC-UA的融合)

工业4.0数字化互联网:OPC-UA-TSN通讯协议(TSN与OPC-UA的融合)

 

【2.8. OPC-UA-TSN 通讯的角色管理】

 

对于机器网络而言,需要一些网络功能,以达到启动和运行期间在网络中定义的状态。这些功能可以分组,并分配给设备角色。以下列出众所周知的针对 IT 和 OT 系统的设备角色以及针对 OPC UA TSN 的新设备角色:1)当前需要的备角色,TSN 交换机:它们构成了一个 OPC UA TSN 网络的网络基础设施。多端口交换机用于从鸟瞰角度设置网络拓扑,而带两个外部(和一个内部)端口的交换机驻留在交换终端站,便于在总线型拓扑中进行有效布线。交换机的状态机添加状态以防止网络环路中的信息风暴。DHCP(服务器):DHCP 是一种从池中分配 IP 地址并将其分配给未配置的设备的机制。此外,大多数 DHCP 服务器实施允许在第 2 层 MAC 地址和第 3 层 IP 地址之间进行静态绑定。这些功能特性的组合可以使用临时 IP 地址启动未配置的设备(具有未知的 MAC 地址),并且在成功识别后(可能是验证)分配预先配置的地址。DNS(服务器):DNS 是解决 IP 地址描述性名称(即主机名)的机制。所有更高层协议和服务,包括工程和配置工具,随后都可以使用易于记忆的主机名。祖时钟:该术语来自于针对精确时钟同步的 IEEE 1588 标准,已被 IEEE 802.1AS 采用。它指的是网络中具有主站功能的最精确的时钟设备。它可以通过最佳主时钟算法(BMCA)自动选择为网络的时间主站。或者在 .1AS 中,也可以预定义时钟层级。OPC UA GDS:OPC UA 的全局发现服务器(GDS)负责 OPC UA 服务器的企业级管理。它通过"功能"和地址列表促进发现,创建并分发针对安全连接的应用证书。目录服务(可选):此类 IT 服务(例如微软的活动目录)用于企业级资产、用户和角色管理,包括个人数据、访问权限(对文件、程序)、证书管理等。在 OT 环境中使用这些可以在组织效率方面快速见效。TSN CUC:集中式用户配置(CUC)是一个在 IEEE 802.1Qcc 标准中定义的角色,任务是配置终端节点(或其应用程序网络的用户)。这包括网络配置,用于与 CNC 通讯。TCB:TCB 客户端/服务器是 CUC-CNC 通讯功能加上终端站网络配置的标准化实施。TCB 服务器收到来自 CUC 的要求,将要求转发给 CNC,它会调度数据流并将结果报告给 TCB 服务器。最后,TCB 服务器会将如何使用调度的数据流的报告发回终端站。TSN CNC:集中式网络配置(CNC)有两个主要任务:第一是计算网络调度,第二是将网络调度的参数分配给基础结构组件(以太网交换机)。对于后者支持互操作性,协议的选择很关键。NETCONF 由于其广泛的可用性、技术成熟度和操作配置的可能性已成为首选技术。2)新的设备角色,以下列出网络中受现今现场总线架构启发的逻辑功能。为了运行 OPC UA TSN 网络,实施这些角色并非严格强制。但是,没有它们,启动和运行网络将需要频繁、大量的手动干预。所有设备角色都是跨厂商的,因此可以实现互操作。应用从站:这是具有最多实例的角色。它主要通过状态机来管理其操作模式和一些远程配置功能。例如 I/O、驱动器和阀。应用主站:传统现场总线中的 PLC 或边缘控制器的角色。从网络基础结构的角度来看,应用从站和应用主站没有区别。但是,就计算性能而言,应用功能和 TSN 功能可能差别很大。配置服务器:这可以看作包含版本控制以及用于固件和配置的签名二进制文件的一个(分布式)数据库。文件内容是厂商特定的,可以是驻留在设备上的任何东西,从 FPGA 比特流、编译的应用程序代码和配置文件,到图像、数据表和维护视频。网络管理器该角色连接到工程工具,并保存关于应用程序分发的所有信息。网络管理器通过启动过程引导所有设备,并触发所需动作,如地址分配和固件/配置更新。网络管理器:该角色连接到工程工具,并保存有关应用程序分发的所有信息。网络管理器通过启动过程指导所有设备,并触发所需操作,如地址分配和固件/配置更新。3)用户角色,除了设备角色(在授权执行某些管理功能如升级设备固件的网络上代表"用户")之外,一组针对人与网络交互的预定义的用户角色应该是可用的,如管理员、用户和维护。

 

【2.9. OPC-UA-TSN 通讯的安全性和证书】

 

1)安全性可能成为区别 OPC UA TSN 和传统现场总线系统的一个关键的功能特性,因为它无法被简单地添加到系统中。用于实施电子安全工业自动化和控制系统的国际标准 IEC 62443,与针对功能安全的 IEC 61508 和 IEC 61784-3 一样现已被广泛接受。标准要求使用适当的硬件和软件开发过程。此外,它定义了五个安全防护目标等级,从 0(无)到 4(防护具备高教育、高动机和高资源的攻击者)。对于每个等级,它定义了要求,并提出了与特定的设备实施相关的问题。2)证书,是安全认证的一种手段。OPC UA 采用 X.509 证书。例如,为网络管理器设备角色创建的新证书要求具备该角色的每个设备都要拥有实例证书,以便能够配置和控制设备。所有其它设备都配有公钥网络管理器证书,因此可以建立一条信任链。此外,每个设备都附带它自己的实例证书,它是从设备类型证书派生而来的,这个证书源自厂商证书。这样就可以建立信任链,每家厂商都可以创建其自己的设备类型系列。设备类型和网络管理器证书可以在认证过程中获得。在首次认证后,为每个设备创建和部署应用认证,用于进一步认证过程。3)证书类型:网络管理器、网络管理器实例、设备类型、设备类型实例、应用程序实例、(机器)配置。

 

【2.10. OPC-UA-TSN 通讯的用户体验与市场展望】

 

1)时间同步:其准确度通常通过各种环境条件下的外部 PPS 引脚(每秒脉冲)测量。在 50 个设备的总线中使用 IEEE 802.1AS 进行时间同步的结果。每 10 个设备进行测量。实验室条件下 PPS 精度标准偏差远低于50ns。2)实时性能:根据工程工具的能力,对 OPC UA TSN系统的大小和复杂性没有真正的限制。中期将会出现多达 10000 个设备的系统。对于单个设备,所实现的最小循环周期完全取决于所使用的硬件和软件。如果有一个强大的 PLC,其中 200 个可以在一根电线上运行 50µs。3)用户体验,主要因素可以在设备或系统供应商的工程工具中看到。通常在机械自动化中,客户的工程工具来自于 PLC 供应商。但是,将 IT 和 OT 无缝融合到现场总线项目中可以实现比以往更高程度的自动化配置,独立于厂商,从而导致更少的人为干预。此外,由于 OPC UA 和 TSN 并非紧密地绑定在一个特定厂商上,因此周围的生态系统要比过去不同的现场总线大得多。 

 

工业4.0数字化互联网:OPC-UA-TSN通讯协议(TSN与OPC-UA的融合)

 

展望未来,OPC UA TSN 将在许多应用中取代今天基于以太网的现场总线,由于:跨厂商、在其它领域广泛应用、融合网络、大而灵活的拓扑、完整的 IIoT 功能、无与伦比的性能、集成安全和现代数据建模。针对工业应用的相关 OPC UA 标准和 TSN 标准已经完成,目前主要的芯片制造商正在制造适用于现场设备互联的产品,以便很快就能与今天产品的成本相匹配。因此 OPC UA TSN 未来将变得就像以前的 CAN 一样普及。

 

【END】


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