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摘要：随着全球工业领域与制造业的信息化与智能化发展,迫切需要实现对工业领域制造业设备的智能化联网与控制,目前没有统一的协议标准来实现工业互联网的全网连通与设备管理。基于上述背景,开展时间敏感型网络TSN和统一软件架构跨平台模型应用OPCUA的联合研究,研究两者实现工业互联网与以太网上层的互联互通和相关信息模型架构的标准规范,以及对计算机智能控制的PLC应用,对工业领域智能化信息化产业发展提供一些借鉴。
关键词：TSN；OPCUA；智能控制
The Application Research of Computer Intelligent Control Based on TSN+OPCUA Architecture
XU Lili
(Science&Technology College,Zhejiang Institute of Economics and Trade,Hangzhou Zhejiang 310018)
【Abstract】：With the development of information and intelligence in the global industrial field and manufacturing industry,it is urgent to realize the intelligent networking and control of manufacturing equipment in the industrialfield,at present,there is no unified protocol standard to realize the whole network connectivity and equipment management of industrial Internet.Based on the above background,carry out joint research on time sensitive network TSN and unified software architecture cross platform model application OPCUA,studies the standards and specifications for realizing the interconnection between the upper layer of industrial Internet and Ethernet and the architecture of relevant information model,as well as the PLC application of computer intelligent control,provides some reference for the development of intelligent and information industry in the industrialfield.
【Key words】：TSN;OPCUA;intelligent control
0引言
受到全球互联网产业与信息化的影响,尤其是人工智能与5G网络的不断发展,使得各行各业都融入到这场互联网、人工智能、大数据等信息产业化升级的革命中。在这样的新一轮科技革命与产业革命的背景驱动下,德国与中国先后针对制造业工业领域的信息智能化革命需求与发展,提出了“工业4.0”和“中国制造2025”。
无论是德国提出的“工业4.0”,还是中国提出的“中国制造2025”,都包含了同一个本质内容,也就是提升工业制造业领域的智能化水平,建立具有适应性、智能化和资源效应的智慧工厂,实现上述内容的重要一环就是如何有效地实现计算机对工业制造设备的数据通信与智能控制,并实现IT与OT的网络互联互通与控制,实现工业互联网设备互联互通及智能制造。上述目标也就要求计算机对工业的智能控制也需要不断地进步规范化与与标准生态链化。除了需要研究统一的基于传统以太网而增加新要求保证实时性与安全性的时间敏感型TSN网络外,还要保证计算机在工业智能制造领域的智能控制实现上层的有效控制与跨平台的统一架构,这也就需要研究将TSN网络与目前工业控制领域面向服务的统一架构技术OPCUA有效结合,才能保证从设备到网络再到统一中间件平台再到上层可编程控制器的一条龙式计算机智能控制的有效实施,最终实现IT与OT无缝对接,达到工业互联网与智能制造的目的。
1 TSN时间敏感型网络与OPCUA
TSN(Time Sensitive Network)时间敏感型网络是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输,是依靠标准以太网具有确定性传输的优势,并通过厂商独立的标准化进程,已成为广泛聚焦的工业智能化网络领域的关键技术。目前,IEEE、IEC等组织均在制定基于TSN的工业应用网络的底层互操作性标注与规范。TSN是一个最新的但却并非陌生的技术,在工业控制自动化领域,目前存在着多种实时工业以太网,比如EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、CC-Link等,这些协议都是在标准以太网的基础上修改或增加了一些特定的协议以保证实时性和确定性。但是由于这些都并非是标准以太网,虽然在满足机器运动控制等方面已经绰绰有余,但在易用性、互操作性、带宽和设备成本上都存在一些不足,特别是当前大数据和云计算等进入工业控制领域、要求IT和OT融合的背景下,不仅要保证大数据传输,而且要保证传输的实时性和确定性,这时这些现有的实时以太网协议就显得更力不从心。为此,许多工业供应商、IT厂商和芯片提供商加入IEEE 802标准委员会和成立的AVnu联盟,共同更新标准以太网协议,并为工业物联网应用的时间敏感型数据制定了低延迟数据传输标准,而这个标准即时间敏感型网络TSN,旨在解决现有工业互联网的一些缺点。OPCUA是一个新的工业软件接口规范,其目的在于提出一个企业制造模型的统一对象和架构定义,具有跨平台、增强命名空间、支持复杂数据内置、大量通用服务等新特点。为了区别于以往的经典OPC技术,OPC基金会重新定义OPC含义：开放(Openness)、生产力(Productivity)、协作性(Collaboration)。它将发展了12年的现行的OPC技术推进和连结为一个整合的平台,该平台将从DCOM构架迁移到基于Web Service技术的框架下。OPC UA技术具备优秀的信息建模、通信传输、跨平台等性能,让数据采集、信息模型化以及底层与企业层面之间的通信更加安全、可靠。这使得OPCUA在多个技术领域获得应用,如IEC、美国和DKE等国家或标准化组织发布的智能电网标准化Roadmap,都将OPCUA技术作为重要的支撑标准列出。德国提出的新一代工业制造技术“工业4.0”中,也将OPCUA作为支撑技术之一。
当前国内外的大型科研机构联盟与科技巨头企业已经将TSN(时间敏感网络)+OPCUA(OPC统一架构)组合作为从传感器到云端建立全面通讯基础结构的最佳拍档。TSN+OPCUA组合提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络,将会在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来巨大改善。
2基于TSN+OPC UA架构的计算机智能控制应用研究
旨在对时间敏感型网络TSN协议族进行研究,重点是对TSN网络对传统以太网七层模型中的数据链路层的协议补充内容与关键技术和TSN与OPCUA相结合的框架技术进行研究,最后对TSN+OPCUA架构下的可编程控制器的计算机智能控制规范与标准进行研究,研究涉及到工业互联网与计算机智能控制中的两大问题,就是时间敏感型网络TSN和开放平台统一架构OPC UA。作为IEEE的最新核心技术,时间敏感网络(TSN)已经备受工业物联网领域的青睐与重视,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。而OPCUA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,TSN-OPCUA架构将更加强大,有望成为工业互联网与计算机智能控制领域的超级标准。主要的研究内容包括以下三个方面：
(1)时间敏感型网络TSN的协议族的分析与研究。研究时间敏感型网络TSN在传统以太网7层架构的数据链路层的各类协议族的主要服务与功能,并分析研究针对工业领域计算机智能控制所需的实时性与准确性要求较高的内容保证与新增标准。对于工业界和制造行业领域,生产环节有需要基于时间的准确性,因此TSN在传统以太网7层架构的数据链路层上的协议族都需要具备精确的时间准确性,这就需要通过TSN的时钟同步机制得以实现,需要研究TSN的时钟同步机制,TSN标准由IEEE802.1AS和为工业所开发的升级版IEEE 802.1AS-rev构成,IEEE802.1AS被称为gPTP-广义时钟同步协议,它首先是分布式的,而且是一种主从结构的协议。能够支持gPTP网络中的时钟同步问题解决,主要是通过时钟算法建立主次关系,每个gPTP节点会运行相关的引擎实现同步。
(2)OPCUA面向服务的统一架构平台与接口的分析与研究。工业通信分为互联(硬件接口的连接)、互通(软件层面的数据格式与规范)、语义互操作(语义的定义与规范)等几个层面,而TSN网络解决的是连接互通问题,而OPCUA则解决不同系统之间的语义的互操作(主要包括应用行为与动态功能)。研究OPCUA面向服务的统一架构平台标准和信息模型,尝试使用开源包搭建OPCUA信息模型。
OPCUA是OPC的后续更新标准,从名字上看就是在OPC基础上增加了UA,其本质是需要摆脱操作系统,实现平台无关性的代理。从OPC到OPCUA的变化,实现目标没有变化,统一性规范性和分布式控制对象,但是OPCUA突出的平台操作系统无关性,打通了从网络统一到平台统一的新模式,因此OPCUA能够简化成跨平台面向对象技术的实现模式与信息建模,整个OPCUA信息模型架构需要针对视域管理、访问管理、节点管理、数据管理和订阅管理这几部分进行研究。
(3)基于TSN+OPCUA架构的计算机智能控制应用层模型规范研究。主要研究基于TSN+OPCUA架构的计算机智能控制应用层可编程控制器(PLC)等设备的规范标准,包括基于TSN+OPCUA架构的PLC通信服务规范,以及PLC应用在TSN+OPCUA架构下的特殊指令映射服务对应关系研究和IO状态的研究。主要研究PLC的通信编程模式,主要对设备进行属性、方法和事件的PLC定义,基于OPCUA的面向对象技术去实现PLC对象编程,继而监控对象的属性、调用对象的方法和触发对象的事件,并根据设备进行有效的PLC的对象建模,并基于TSN的时钟进行传输的匹配和最终的结合跨网应用的信息模型架构。
3总结
通过对TSN协议族的分析与研究,尤其是针对实时性与安全性保证的工业控制领域的标准规范研究,为TSN服务工业领域网络融合提供了前提依据,通过对OPCUA信息模型的架构研究,为基于TSN+OPCU架构在工业领域的应用奠定了实践的基础。应用当前工业互联网通信协议标准的两大新兴主流规范TSN和OPCUA,有效地结合这两大标准规范的优势,特别是TSN是当前国内外工业控制与计算机智能控制领域的新兴网络协议族,目前国内外少量的科技巨头与研究机构在完成TSN工业互联网协议标准并进行试验平台开发,加之OPCUA技术与TSN网络有效结合进行计算机智能控制研究也是当前工业4.0与智能制造领域所推崇的一网到底目标的创新前沿架构技术标准,因此基于上述TSN+OPCUA的研究成果,将有助于工业领域网络融合和智能化应用的不断推进,为中国制造2025的目标实现添砖加瓦。
参考文献
[1]朱海龙,严园园.TSN网络中时钟同步可靠性提升方法[J].北京邮电大学学报,2021,44(2):20-25+46.
[2]彭轻羽.面向实时应用需求的TSN调度算法研究[J].电工技术,2019(2):82-84.
[3]王统,戴闽鲁,雷国平.OPCUA系统框架综述[J].福建质量管理,2019(1):296-297.
[4]王智凝,刘意杨,高峰,等.OPCUA在工业机器人信息模型中的应用[J].仪器仪表标准化与计量,2016(3):30-33.
[5]赵艳领,闫晓风,刘丹.基于SDK嵌入式OPCUA服务器设计与实现[J].制造业自动化,2017,39(1):49-52.
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