OPC UA TSN對于智能制造的意義與影響

文:宋華振2018年第一期

導(dǎo)語:事實上,越來越多的場景都在探討智能制造,無論是傳統(tǒng)的OT廠商還是ICT廠商似乎都對此寄予厚望,巨大的商業(yè)利益帶來了巨大的投資熱潮,

    事實上,越來越多的場景都在探討智能制造,無論是傳統(tǒng)的OT廠商還是ICT廠商似乎都對此寄予厚望,巨大的商業(yè)利益帶來了巨大的投資熱潮,然而,今天,我們卻似乎沒有太多的聲音在探討OPCUA與TSN,這也是讓我比較困惑的—似乎OPCUA并未受到足夠的重視,也與業(yè)界的資深專家探討此問題,為什么大家都不聚焦OPCUA卻又如此熱衷智能制造的討論?

    最近一直也在研究TSN技術(shù),包括也與彭瑜老先生一起在微信里進(jìn)行了技術(shù)交流,貝加萊在剛剛結(jié)束的SPS上推出了OPCUA與TSN融合的演示系統(tǒng),29日參加華為邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟大會,發(fā)現(xiàn)華為已經(jīng)在架構(gòu)基于TSN的邊緣計算互聯(lián)方案,這也使得我對OPCUATSN更多的認(rèn)識,實際上我知道很多人還不大了解甚至沒有聽說過TSN技術(shù),而我們期待它已經(jīng)很久了。

    但是,此次我倒不想先講技術(shù),而先來分析其意義,這樣,我們才能更愿意談?wù)撨@項技術(shù)。如果你不知道它的意義和價值,你就很難關(guān)注它。

一、OPCUA的價值超出我們的想象

    實際上,如果我們分析智能制造的實現(xiàn)路徑,我們試圖通過IT與OT的融合來解決制造業(yè)的效率問題,簡而言之,我們試圖通過提高數(shù)據(jù)流的效率來提升生產(chǎn)制造的效率,尤其是在“個性化定制”這個問題上的效率,因此,我們需要對產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的協(xié)同來實現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)化與決策效率。

    要跨越的障礙包括以下幾個方面:

1.語義互操作

    傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線包括實時以太網(wǎng)都是解決“信號”的問題,對于OT而言,信號,無論是直接的物理信號(4-20mA,0-10V)還是經(jīng)過總線進(jìn)行的數(shù)字化傳輸,其本質(zhì)仍然是服務(wù)于“控制”任務(wù)的,因此,對于總線而言,其主要是物理層與數(shù)據(jù)鏈路層解決問題即可,應(yīng)用層主要為了編程方便,就像CANopen采用數(shù)據(jù)字典對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析一樣,不同廠商的產(chǎn)品也是通過相應(yīng)的設(shè)備描述文件進(jìn)行解析,而這些都是在同一網(wǎng)絡(luò)中。

    從OT控制角度而言,語義信息往往是通過查表的方式來進(jìn)行對應(yīng),而每個網(wǎng)絡(luò)又不同的定義方式,這也使得配置和編程變得多樣,不同網(wǎng)絡(luò)均需不同的編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問,并非不可以通信,而是比較復(fù)雜。

    OPCUA解決的正是在水平集成與垂直的信息集成兩個維度的“語義互操作”問題,首先在水平方向采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義“語義信息”,第二個問題是與IT系統(tǒng)進(jìn)行語義的統(tǒng)一,使得在水平和垂直兩個方向均實現(xiàn)統(tǒng)一的語義信息互操作。

圖1-智能制造對于網(wǎng)絡(luò)的需求

2.信息模型

    要實現(xiàn)協(xié)同制造,信息集成與效率至關(guān)重要,信息模型是完成“協(xié)同”的關(guān)鍵,為了實現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器(M2M)、機(jī)器與商業(yè)系統(tǒng)(M2B)以及商業(yè)系統(tǒng)間(B2B)的協(xié)同,OPCUA是最佳的通道,OPCUA為此提供了基礎(chǔ)信息模型,包括底層總線傳輸?shù)恼Z義可以參考統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義,而垂直行業(yè)的信息模型也同樣可以進(jìn)行協(xié)同,這也是為何ISA、OMAC、AutomationML、MTConnect、Euromap等采用OPCUA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一信息模型定義的原因。

圖2-OPCUA實現(xiàn)架構(gòu)

3.模塊化軟件設(shè)計

    OPCUA本身是面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(SoA),OPCUA中的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理,使得可以被直接訪問并應(yīng)用于分析,由于OPCUAServer扮演了一個中間隔離層的角色,這使得應(yīng)用程序可以實現(xiàn)關(guān)注點分離SoC(SparationofConcern)的設(shè)計,這讓HMI與應(yīng)用程序分析、讓數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析、數(shù)據(jù)與應(yīng)用人員分離,無論對顯示程序、應(yīng)用程序模塊化、人員操作均可實現(xiàn)分離,這意味著軟件的模塊化設(shè)計變得簡單,對于應(yīng)用而言,也會降低諸多成本。

    OPCUA的Pub/Sub、Discovery、方法都提供了更多讓數(shù)據(jù)交互更為便利、實時的方法,不做累述。

二、TSN技術(shù)的意義

    TSN是另一個即將投入應(yīng)用的傳輸協(xié)議,要了解TSN的意義,首先要明白在智能制造的工廠集成中所遇到的問題,然后它的意義才能更為清晰的顯現(xiàn)。

1.周期與非周期數(shù)據(jù)是OT與IT的區(qū)別

    傳統(tǒng)OT之所以采用諸如輪詢機(jī)制,包括集束幀技術(shù),均是為了實現(xiàn)“周期性”數(shù)據(jù)的傳輸問題,因為各種控制如溫度閉環(huán)、運動控制、機(jī)器人都是周期性的數(shù)據(jù)采集,用于實現(xiàn)同步關(guān)系。

    而IT數(shù)據(jù)并非是周期性,而是更多采用“最大努力”,也因此像Internet任務(wù)按照OSI七層模型進(jìn)行IP路由、UDP都無需確認(rèn),這與IT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯然是不同的。

    這也是OT與IT進(jìn)行融合時,首先遇到的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問題,另一方面,IT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量必須比較大,例如:傳輸視頻信息、Word文檔、JPG圖片等都是需要較大的數(shù)據(jù)容量網(wǎng)絡(luò)。

2.太多的網(wǎng)絡(luò)需要中間轉(zhuǎn)換

    曾經(jīng)有人說“這個世界上有多少家PLC廠商就有多少種現(xiàn)場總線”,對照一下就會發(fā)現(xiàn),每種現(xiàn)場總線的帶寬、物理介質(zhì)、支持的節(jié)點數(shù)、最大傳輸距離、傳輸容量、校驗方式等性能與功能性指標(biāo)均不同,如果這樣的話,現(xiàn)場連接的復(fù)雜性不僅要耗費各種現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換設(shè)備,同樣在軟件層面也需要不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換,這不僅帶來巨大的硬件成本投入,也同樣意味著軟件的復(fù)雜性指數(shù)級的提升,而這對于我們談?wù)摰闹悄苤圃於裕蜁蔷薮笞璧K。

    即使統(tǒng)一采用以太網(wǎng),那么也僅僅是解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問題,在實際應(yīng)用中,配置網(wǎng)絡(luò)與用戶仍然是各自不同的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

3.TSN扮演的角色

    TSN扮演的角色在這個時候就比較突出,它解決了OT周期性數(shù)據(jù)與IT非周期性數(shù)據(jù),OT實時性與IT數(shù)據(jù)容量大、節(jié)點多的問題得到了統(tǒng)一的解決。

圖3-TSN技術(shù)從音頻視頻-無人駕駛汽車到IIoT的集成發(fā)展

    基于IEEE802.1AS-Rev提供時鐘同步機(jī)制,IEEE802.1Qbv和Qba提供了包含預(yù)留通道和最大努力的隊列報文傳輸機(jī)制,以及IEEE802.1Qcc的用戶與網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn),以及IEEE802.1QCB的冗余數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,OPCUA基金會、IIC、Avnu聯(lián)盟等共同在推動著TSN技術(shù)的發(fā)展,其實,在汽車領(lǐng)域IEEE802.1QVB已經(jīng)在投入應(yīng)用。

圖4-IEEE802.1Qbv-TimeAwareShaper工作機(jī)制

圖5-IEEE802.1Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置的協(xié)議

    IEEE802.1Qbv和Qcc如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度以及配置的方法。

    OPCUA與TSN的融合,解決了IT與OT在傳輸機(jī)制的統(tǒng)一,同時也解決了語義互操作標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的統(tǒng)一,使得IT與OT的融合得到了真正的實現(xiàn)。

三、OPCUATSN對智能制造的影響

    看上去OPCUATSN在技術(shù)上打通了IT與OT的互聯(lián),但是,就其現(xiàn)實意義卻遠(yuǎn)非我們想象那么簡單,它不僅僅是一項技術(shù),它對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極大的戰(zhàn)略意義。

1.中國制造業(yè)實現(xiàn)智能制造路徑分析

    其實,很多人都對阿里的電商發(fā)展提出了異議,就像看到兩篇相關(guān)的文章,一篇是說英國人認(rèn)為不發(fā)展電商可以讓小店更好的生存,解決就業(yè),另一個談到日本人為什么不發(fā)展電商因為他們希望通過更好的服務(wù)來讓消費者體驗到購物的樂趣,大概是這個意思吧?

    聽上去似乎有道理,但是,我卻有不同的意見,這可能是“非不為,實不能”的原因,但就互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而言,阿里、騰訊、百度等企業(yè)已經(jīng)在應(yīng)用領(lǐng)域讓中國處于領(lǐng)先,這已然共識,國家推動“人工智能”規(guī)劃,這反倒讓我看到一條更為明晰的路徑。

    實際上,投資互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺、移動網(wǎng)絡(luò)是需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資的,很多人覺得移動、聯(lián)通、電信都是央企—天生的不喜歡,認(rèn)為他們是壟斷,但是,如此巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給我們帶來了今天支付的便利、各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給我們生活無所不在的便利,這是因為中國有巨大的人口基數(shù)攤低了平臺的成本,而英國、日本、德國這些國家是沒有條件讓如此巨大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

    而進(jìn)一步的發(fā)展,隨著這個領(lǐng)域的能力聚集,以及在人工智能、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的軟件算法、應(yīng)用模型的積累,使得我們制造業(yè)可以分享這些技術(shù)帶來的好處。

    當(dāng)中國的制造業(yè)更多分享來自IT領(lǐng)域的存儲、網(wǎng)絡(luò)、計算、應(yīng)用資源的時候,中國制造業(yè)的整體成本也是可以被降低。

    當(dāng)我們可以通過OPCUA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問便利性,當(dāng)OPCUA與TSN的融合為整個IT與OT融合打通路徑的時候,中國自身在IT建設(shè)領(lǐng)域的資源也將被制造業(yè)分享。

2.改變自動化產(chǎn)業(yè)的格局

    前沿的自動化企業(yè)正在積極的擁抱互聯(lián)網(wǎng),很多相關(guān)的產(chǎn)品、技術(shù)會隨著IT與OT的融合變得更加競爭加劇,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)架構(gòu)將被重構(gòu)。

    (1)自動化行業(yè)將會因此發(fā)生的改變

邊緣計算的興起即是一個方向,由于通用的網(wǎng)絡(luò)、存儲、計算資源更為經(jīng)濟(jì),因此,傳統(tǒng)的DCS、MES將不再需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投入,而基于無所不在的智能終端(iPhone/Andriod智能手機(jī)、PAD)使得HMI將更為直接的介入到顯示與操作,而ICT廠商在互聯(lián)產(chǎn)品領(lǐng)域大規(guī)模制造成本低下將使得傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也面臨新的競爭。

    (2)軟件成為新的競爭力

    某種意義上說,IT與OT的融合,也同樣意味著傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品在IT產(chǎn)業(yè)成本優(yōu)勢下面臨新的競爭。

    軟件成為了自動化行業(yè)真正競爭的焦點,誰擁有更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用軟件的能力,以及行業(yè)Know-How的服務(wù)能力將成為未來競爭的關(guān)鍵,這也是為什么越來越多的自動化廠商變得更加“軟”的原因,軟件成為未來競爭的利器已經(jīng)在諸多前沿的自動化廠商這里得到了踐行。

    (3)咨詢業(yè)務(wù)納入自動化運營范疇

    另一個崛起的力量是“咨詢”成為了未來自動化廠商必須發(fā)展的力量,這種力量需要將“運營管理—OperationManagement”的能力予以輸出,智能制造是一個集成,其核心在于通過自動化、信息化、智能化實現(xiàn)“運營水平”的提升,這體現(xiàn)在“質(zhì)量、成本與交付”,而智能制造必須圍繞“運營”進(jìn)行技術(shù)的升級,為客戶提供整廠的集成,必須緊密圍繞“運營指標(biāo)”、“流程穩(wěn)定”來實現(xiàn)。

    (4)知識將成為一種更具價值的資源,也是更具戰(zhàn)略性的競爭力:軟件是知識的一種表現(xiàn)形式,而咨詢業(yè)務(wù)也是一種知識的形式,業(yè)務(wù)模式的變化在于可以采用通用平臺,而以行業(yè)的知識成為新的盈利方式。人工智能賦予系統(tǒng)“智慧”—智慧與智能的不同在于具有自我判斷、自我執(zhí)行的能力,人們總是認(rèn)為人工智能、機(jī)器人將會代替人,但是,無論是機(jī)器人、還是人工智能系統(tǒng),其本質(zhì)是對人的“智慧”進(jìn)行延伸到系統(tǒng),用于生產(chǎn)的優(yōu)化與決策。

3.更高的經(jīng)濟(jì)性

    回到技術(shù)范疇,OPCUATSN打通了IT與OT,其本身的優(yōu)勢在于為智能制造帶來成本的更高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng):

    (1)降低系統(tǒng)配置與開發(fā)成本

    就直接的應(yīng)用而言,OPCUATSN帶來了系統(tǒng)融合,取消了在水平集成、垂直集成所非必須的硬件、軟件,簡化系統(tǒng)架構(gòu)、流程,使得整體效率降低。

    就像微信、支付寶使得整體上中國人花費在支付方面的時間降低,與過去復(fù)雜的銀行ATM提款、復(fù)雜的轉(zhuǎn)賬支付流程相比,今天我們每個人耗費在支付這件事情的時間大幅下降,放眼整個中國,每年節(jié)省的時間可以按照百億小時來計算,僅就這一項就可以節(jié)省百億級以上的社會總成本。

    打通的制造系統(tǒng),僅就降低的硬件開支、軟件復(fù)雜性帶來的開發(fā)、配置時間就會是巨大的。

    (2)共享開放世界的資源降低成本

    讓制造業(yè)可以分享在大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的軟件資源、應(yīng)用數(shù)據(jù)、模型與方法,這種資源的分享,也讓制造業(yè)整體成本得到降低。

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