工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要走的初步是什么？

  眾所周知，以太網(wǎng)已經(jīng)成為家庭、企業(yè)及數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)連接和互通的廣泛的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。然而因?yàn)槠浯_定性、實(shí)時(shí)性、可靠性等因素，傳統(tǒng)以太網(wǎng)并不適用于工業(yè)數(shù)據(jù)通訊。例如以太網(wǎng)存在的CSMA/CD機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)沖突時(shí)需不斷重發(fā)數(shù)據(jù)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性帶來(lái)挑戰(zhàn);另外，因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)面臨惡劣的工況、嚴(yán)重的線(xiàn)間干擾等，也導(dǎo)致以太網(wǎng)可靠性大打折扣。

  所以，因?yàn)橐蕴W(wǎng)設(shè)計(jì)之初并非從工業(yè)網(wǎng)應(yīng)用出發(fā)，促使工控領(lǐng)域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，比如西門(mén)子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、羅克韋爾的Ethernet/IP、還有EtherCAT、Powerlink、CC-Link等等。而工業(yè)以太網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等在實(shí)時(shí)性、傳輸速率等方面都有明顯的改觀。

  不過(guò)，這些專(zhuān)有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議仍然面臨瓶頸，雖然它們?cè)跐M(mǎn)足機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制等方面已經(jīng)綽綽有余。

  因?yàn)楫?dāng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)數(shù)據(jù)通訊并不再局限于機(jī)器到傳感層，也不局限于機(jī)器到機(jī)器之間，而是擴(kuò)展到了與人、云和應(yīng)用等更豐富的連接。有更多類(lèi)型和更多海量的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理，而對(duì)于數(shù)據(jù)處理的鏈條也變得更長(zhǎng)，包括在邊緣側(cè)，包括云端，包括與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的逐步打通。因此，如何應(yīng)對(duì)通過(guò)更高帶寬進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的聯(lián)接和傳輸，如何做到更準(zhǔn)的確定性控制和更低時(shí)延，仍是工業(yè)制造的巨大挑戰(zhàn)。所以，一個(gè)打破碎片化的通訊協(xié)議，以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)鏈路的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于工業(yè)制造的未來(lái)更為重要。

  工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的“大一統(tǒng)”

  TSN(時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))+ OPC UA(OPC統(tǒng)一架構(gòu))成為從傳感器到云端建立通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的好拍檔。

  TSN的工作原理是優(yōu)先適用(IEEE P802.3br)機(jī)制，在傳輸中讓關(guān)鍵數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。這意味著關(guān)鍵數(shù)據(jù)不必等待所有的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成傳送后才開(kāi)始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，TSN建立了一套能使以太網(wǎng)具有實(shí)時(shí)性和確定性的新標(biāo)準(zhǔn)。

  基于TSN提供的網(wǎng)絡(luò)通信的高確定性和低時(shí)延之上，OPC UA則提供了一個(gè)獨(dú)立于平臺(tái)的面向服務(wù)的體系架構(gòu)，它定義了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和信息模型，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備和企業(yè)，以及不同廠商設(shè)備之間的交互。

  工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要走出的初步是什么？

  TSN+OPC UA組合提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、高確定性并自主獨(dú)立于設(shè)備廠商的通信網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)在帶寬、保衛(wèi)、互操作、延遲和同步等方面帶來(lái)巨大改善。

  舉例來(lái)說(shuō)，在工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，都會(huì)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，有了TSN+OPC UA，數(shù)據(jù)不用再歷經(jīng)PLC控制器、SCADA系統(tǒng)、MES系統(tǒng)…就可以直接連入云端。OPC UA作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一格式，無(wú)論是傳感器層還是云平臺(tái)層都可以部署，保持全棧信息模型的統(tǒng)一。

  也就是說(shuō)，TSN+OPC UA就像秦始皇統(tǒng)一度量衡一樣，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)鏈路的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，也就是統(tǒng)一了工業(yè)界近百種碎片化的通訊協(xié)議。一個(gè)統(tǒng)一的，有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)于數(shù)字化社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)，不亞于秦始皇“書(shū)同文，車(chē)同軌”的舉措。實(shí)現(xiàn)這種大一統(tǒng)之后，必然會(huì)造成一系列顛覆性的連帶反應(yīng)，傳統(tǒng)工業(yè)的金字塔架構(gòu)在很大概率上會(huì)被直接打破，變成扁平化結(jié)構(gòu)，不用再經(jīng)過(guò)層層設(shè)備，數(shù)據(jù)獲得可以直接“跳步”貫穿到數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。

  TSN+OPC UA將IT和OT無(wú)縫融合

  當(dāng)然，TSN+OPC UA組合在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，越來(lái)越多的工業(yè)供應(yīng)商、ICT廠商和芯片供應(yīng)商也在共同加快對(duì)其測(cè)試和驗(yàn)證。

  在剛剛召開(kāi)的2018漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，多家組織和廠商聯(lián)合就展開(kāi)了一場(chǎng)針對(duì)TSN+OPC UA場(chǎng)景應(yīng)用的測(cè)試驗(yàn)證。包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)、Avnu聯(lián)盟、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)、Fraunhofer FOKUS、華為、施耐德電氣、和利時(shí)、美國(guó)國(guó)家儀器(NI)、貝加萊(B&R)、TTTech、思博倫通信(Spirent Communications)等超過(guò)20家國(guó)際組織和業(yè)界知名廠商，聯(lián)合發(fā)布了包含六大工業(yè)互聯(lián)場(chǎng)景的TSN+OPC UA智能制造測(cè)試床。

  歐洲大型應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)-開(kāi)放通訊系統(tǒng)研究所(Fraunhofer FOKUS)的Alexander Willner博士表示，“自從可編程邏輯控制器(PLCs) 問(wèn)世以來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化流程得到了大優(yōu)化。OT(運(yùn)營(yíng)技術(shù))與IT(信息與通信技術(shù))之間的融合令人興奮，將帶來(lái)有趣的創(chuàng)新體驗(yàn)。OPC UA和TSN的結(jié)合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交換和互操作。聯(lián)合測(cè)試床中演示的場(chǎng)景展示了我們各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我們對(duì)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)充滿(mǎn)期待。”

  在過(guò)去從現(xiàn)場(chǎng)層、控制層到信息層，好的方案是采用相似供應(yīng)商的產(chǎn)品才容易集成和貫通，但是現(xiàn)在，由企業(yè)互相競(jìng)爭(zhēng)而造成的“人為邊界”已經(jīng)有被打破的跡象，因?yàn)闊o(wú)論產(chǎn)品類(lèi)型、品牌和功能等差異如何存在，都可以輕而易舉地實(shí)現(xiàn)從下到上的貫穿和整合。

  當(dāng)然，業(yè)內(nèi)對(duì)于TSN+OPC UA的追崇并非因其高帶來(lái)的高可靠性、實(shí)時(shí)性那么簡(jiǎn)單，更重要的是，它們通過(guò)改寫(xiě)工業(yè)通訊的底層架構(gòu)，為智能制造轉(zhuǎn)型打開(kāi)了大門(mén)。

  無(wú)論是德國(guó)的“工業(yè)4.0”、亦或中國(guó)的“中國(guó)制造2025”等戰(zhàn)略，其背后的技術(shù)基礎(chǔ)均是物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)啟。而TSN+OPC UA正是打通工業(yè)互聯(lián)關(guān)鍵一公里的關(guān)鍵所在，也是實(shí)現(xiàn)OICT融合，加速智能制造的關(guān)鍵所在。

  TSN+OPC UA通過(guò)改變工業(yè)數(shù)據(jù)通訊將會(huì)加速形成成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和生產(chǎn)體系，因?yàn)樗鼛?lái)了數(shù)據(jù)流動(dòng)的暢通無(wú)阻。