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通過(guò)合作實(shí)現(xiàn)更大的普適性

OPC UA 通過(guò)其地址空間形成通用應(yīng)用接口，而TSN為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)添加實(shí)時(shí)能力并實(shí)現(xiàn)千兆位數(shù)據(jù)速度。因此，通過(guò)發(fā)布/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)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(fǎng)中，ADI 公司確定性以太網(wǎng)技術(shù)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師 Volker Goller 提供了一些背景信息。

問(wèn)：在OPC UA TSN系統(tǒng)中，OPC UA 和 TSN 分別承擔(dān)哪些任務(wù)和功能?

答：為了闡明OPC UA的作用，我想引用 OPC 基金會(huì)副總裁Stefan Hoppe的話(huà)：“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(dāng)然，它還是一種用于連接客戶(hù)端和服務(wù)器的協(xié)議，但 OPC UA 的優(yōu)勢(shì)在于地址空間，正是這一點(diǎn)使得 OPC UA 成為通用應(yīng)用接口。OPC UA 非常靈活，允許將現(xiàn)有用戶(hù)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(gè)配置文件在OPC UA 地址空間中都有表示，或者正在開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)其表示。OPC UA 尚未明確這些配置文件(I/O、驅(qū)動(dòng)器、安全等)，但很可能會(huì)改變。在工業(yè)4.0的框架下，OPC UA 被視為未來(lái)非常有前途的通用語(yǔ)言。

相比之下，TSN 是 IEEE-802.1以太網(wǎng)的擴(kuò)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(shí)時(shí)性。因?yàn)轭A(yù)計(jì)未來(lái)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(shí)時(shí)通信的平民化。幾乎每種協(xié)議都可以通過(guò) TSN 獲得實(shí)時(shí)能力。

在此背景下，成立了一個(gè) pub/sub 工作組，目的是在TSN的幫助下，為 OPC UA 指定一種實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議。這將使OPC UA 具備實(shí)時(shí)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?yàn)閬?lái)自不同制造商的控制器將能與OPC UA實(shí)時(shí)交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網(wǎng)絡(luò)帶寬，因而其魯棒性會(huì)比目前所能實(shí)現(xiàn)的要更高。

但是，pub/sub 不是讓 OPC UA 具備實(shí)時(shí)能力的唯一途徑。業(yè)界也在努力開(kāi)發(fā)一種針對(duì) DDS 的 OPC UA 模型，DDS 是一種應(yīng)用廣泛且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的實(shí)時(shí)協(xié)議。這將使得分布式系統(tǒng)的運(yùn)行具有 DDS/TSN 能力，并將 OPC UA 用作應(yīng)用接口。

結(jié)果如何還有待觀(guān)察。

問(wèn)：未來(lái)哪些任務(wù)和功能會(huì)留給傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)?

答：傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議不會(huì)消失。在未來(lái)，有些仍會(huì)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(chǎng)總線(xiàn)將被以太網(wǎng)取代。

問(wèn)：在OPC UA TSN系統(tǒng)中，除了配置文件級(jí)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(wù)和功能?

答：需要再次澄清，TSN并不會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)OPC UA。它們是兩種完全獨(dú)立的技術(shù)。OPC UA 可以在控制器網(wǎng)絡(luò)(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(shì);它是否也能在現(xiàn)場(chǎng)層面發(fā)揮作用尚有待證實(shí)，因?yàn)?OPC UA 不是一個(gè)小堆棧，至少如果您希望利用其全部?jī)?yōu)勢(shì)，它不會(huì)是一個(gè)小堆棧。

問(wèn)：傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)的用戶(hù)組織如何應(yīng)對(duì)TSN挑戰(zhàn)?

答：我想說(shuō)，所有用戶(hù)組織都在響應(yīng) TSN 帶來(lái)的機(jī)會(huì)。TSN有望提供更多硬件選擇，尤其是基礎(chǔ)設(shè)施組件，并且實(shí)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(wèn)：TSN能否支持實(shí)時(shí)并將周期時(shí)間降至31.25μs，在未來(lái)甚至可能更低?

答：在100 Mbps 的速度，要使周期時(shí)間低于250μs，現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議將不得不對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行重大修改。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展不大可能被納入TSN標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)您的問(wèn)題，TSN將達(dá)到IEEE定義的極限，即100 Mbps 時(shí)250μs——至少只要標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP應(yīng)用的真正并行操作必須有效。如需更短的周期時(shí)間，通往1 Gbps 的道路已開(kāi)放。

問(wèn)：TSN如何解決或預(yù)期如何解決安全問(wèn)題?

答：安全一般運(yùn)用Black channel原則。安全性定義在實(shí)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(huì)比今天的系統(tǒng)更不可靠。

問(wèn)：OPC UA 協(xié)議也可以通過(guò)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)傳輸，如時(shí)隙或隧道。那么為什么它還需要TSN 呢?

答：TSN 在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)基礎(chǔ)上增加了確定性和實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和“盡力而為”型 TCP/IP 的穩(wěn)健共存。

問(wèn)：TSN 相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)到底有哪些優(yōu)勢(shì)?

答：TSN 不是一種新的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。它是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的統(tǒng)一擴(kuò)展，增加了實(shí)時(shí)能力。我們已闡明其優(yōu)勢(shì)：硬件可用性、統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施以及與速度無(wú)關(guān)的定義。

問(wèn)：成本在這里扮演什么角色?

答：可擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)化硬件和基礎(chǔ)設(shè)施有望降低成本并統(tǒng)一技術(shù)訣竅。

問(wèn)：實(shí)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(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的邏輯進(jìn)展。它是否會(huì)取代100 Mbps?不會(huì)完全取代，但是1 Gbps支持新的應(yīng)用，并且可以克服當(dāng)今數(shù)據(jù)密集型應(yīng)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)增加實(shí)時(shí)能力的統(tǒng)一擴(kuò)展。

采訪(fǎng)由德國(guó) Markt&Technik 的 Andreas Knoll 完成。