通過合作實現(xiàn)更大的普適性
OPC UA通過其地址空間形成通用應用接口，而TSN為標準以太網(wǎng)添加實時能力并實現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)速度。因此，通過發(fā)布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術結合起來是有意義的，但在工業(yè)4.0的背景下，工業(yè)通信還有其他可能性。在本次采訪中，ADI公司確定性以太網(wǎng)技術部的系統(tǒng)應用工程師Volker Goller提供了一些背景信息。
問：在OPC UA TSN系統(tǒng)中，OPC UA和TSN分別承擔哪些任務和功能?
答：為了闡明OPC UA的作用，我想引用OPC基金會副總裁Stefan Hoppe的話：“OPC UA不是一種協(xié)議，而是一種信息模型。”他的意思是，OPC UA首先且最重要的是一種信息模型。當然，它還是一種用于連接客戶端和服務器的協(xié)議，但OPC UA的優(yōu)勢在于地址空間，正是這一點使得OPC UA成為通用應用接口。OPC UA非常靈活，允許將現(xiàn)有用戶接口(工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的配置文件)映射到OPC UA。因此，現(xiàn)在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中的幾乎每個配置文件在OPC UA地址空間中都有表示，或者正在開發(fā)以實現(xiàn)其表示。OPC UA尚未明確這些配置文件(I/O、驅動器、安全等)，但很可能會改變。在工業(yè)4.0的框架下，OPC UA被視為未來非常有前途的通用語言。
相比之下，TSN是IEEE-802.1以太網(wǎng)的擴展，具有完整的一系列新能力，旨在讓以太網(wǎng)更具確定性和實時性。因為預計未來將有眾多制造商生產(chǎn)支持TSN的硬件，所以也可以把它視為實時通信的平民化。幾乎每種協(xié)議都可以通過TSN獲得實時能力。
在此背景下，成立了一個pub/sub工作組，目的是在TSN的幫助下，為OPC UA指定一種實時傳輸協(xié)議。這將使OPC UA具備實時性，從而可以替代工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它將受到傳統(tǒng)PLC以上層次的熱烈歡迎，因為來自不同制造商的控制器將能與OPC UA實時交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網(wǎng)絡帶寬，因而其魯棒性會比目前所能實現(xiàn)的要更高。
但是，pub/sub不是讓OPC UA具備實時能力的唯一途徑。業(yè)界也在努力開發(fā)一種針對DDS的OPC UA模型，DDS是一種應用廣泛且經(jīng)過驗證的實時協(xié)議。這將使得分布式系統(tǒng)的運行具有DDS/TSN能力，并將OPC UA用作應用接口。
結果如何還有待觀察。
問：未來哪些任務和功能會留給傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和現(xiàn)場總線?
答：傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會消失。在未來，有些仍會以不同形式存在(作為OPC UA中的配置文件或配置文件系列)，有些則將基于TSN。傳統(tǒng)現(xiàn)場總線將被以太網(wǎng)取代。
問：在OPC UA TSN系統(tǒng)中，除了配置文件級別的OPC UA TSN，傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)可以履行哪些任務和功能?
答：需要再次澄清，TSN并不會自動實現(xiàn)OPC UA。它們是兩種完全獨立的技術。OPC UA可以在控制器網(wǎng)絡(控制器到控制器)中發(fā)揮重要作用。pub/sub與TSN在這里很有優(yōu)勢;它是否也能在現(xiàn)場層面發(fā)揮作用尚有待證實，因為OPC UA不是一個小堆棧，至少如果您希望利用其全部優(yōu)勢，它不會是一個小堆棧。
問：傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的用戶組織如何應對TSN挑戰(zhàn)?
答：我想說，所有用戶組織都在響應TSN帶來的機會。TSN有望提供更多硬件選擇，尤其是基礎設施組件，并且實現(xiàn)更高速度，即1 Gbps或更高。最終，我們將看到Profinet? TSN，以及EtherNet/IP? over TSN和OPC UA Pub/Sub。
問：TSN能否支持實時并將周期時間降至31.25μs，在未來甚至可能更低?
答：在100 Mbps的速度，要使周期時間低于250μs，現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將不得不對標準以太網(wǎng)進行重大修改。對于非標準方法，例如EtherCAT?甚至Sercos所基于的集總幀協(xié)議，IEEE并不是很友好。這些擴展不大可能被納入TSN標準。
針對您的問題，TSN將達到IEEE定義的極限，即100 Mbps時250μs——至少只要標準TCP/IP應用的真正并行操作必須有效。如需更短的周期時間，通往1 Gbps的道路已開放。
問：TSN如何解決或預期如何解決安全問題?
答：安全一般運用Black channel原則。安全性定義在實際通信協(xié)議之上。然而，通信信道的可靠性是安全考慮因素之一。TSN不會比今天的系統(tǒng)更不可靠。
問：OPC UA協(xié)議也可以通過傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)傳輸，如時隙或隧道。那么為什么它還需要TSN呢?
答：TSN在標準以太網(wǎng)基礎上增加了確定性和實時性。在很多情況下，不同的協(xié)議共存于同一根電纜中。TSN支持在一根電纜中實現(xiàn)實時和“盡力而為”型TCP/IP的穩(wěn)健共存。
問：TSN相對于傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)到底有哪些優(yōu)勢?
答：TSN不是一種新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它是對標準以太網(wǎng)的統(tǒng)一擴展，增加了實時能力。我們已闡明其優(yōu)勢：硬件可用性、統(tǒng)一基礎設施以及與速度無關的定義。
問：成本在這里扮演什么角色?
答：可擴展的標準化硬件和基礎設施有望降低成本并統(tǒng)一技術訣竅。
問：實現(xiàn)1 Gbps或更高數(shù)據(jù)速率的期望起著什么樣的作用?
答：1 Gbps(及以上)是當今網(wǎng)絡的邏輯進展。它是否會取代100 Mbps?不會完全取代，但是
1 Gbps支持新的應用，并且可以克服當今數(shù)據(jù)密集型應用的性能瓶頸。
TSN不是一種新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而是對標準以太網(wǎng)增加實時能力的統(tǒng)一擴展。
作者簡介
Volker E. Goller是ADI公司的一名系統(tǒng)應用工程師。他在復雜運動控制和嵌入式傳感器到時間敏感型網(wǎng)絡技術的各種工業(yè)應用領域擁有超過30年的豐富經(jīng)驗。作為一名商用軟件開發(fā)人員，Volker為無線和有線應用開發(fā)了各種通信協(xié)議和堆棧，同時積極參與行業(yè)領先組織的新通信標準制定。
