工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在成為熱點，產(chǎn)業(yè)均將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視為提升自身運營效率的法寶，在政策的鼓勵下也都增大投資，并且構建各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包括云、邊緣平臺，然而，我們必須清楚的意識到，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須先構建一個“網(wǎng)絡”，而這個話題卻較少被關注到，因為目前很多從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的都來自IT產(chǎn)業(yè)，對工業(yè)現(xiàn)場缺乏一定的認識，因此，有必要對制造現(xiàn)場的情況予以了解，并據(jù)此制定路線，如果自上而下規(guī)劃一定會遇到數(shù)據(jù)的采集與最終的優(yōu)化結果形成的指令、程序下行傳輸問題，而自下而上的規(guī)劃就會先解決“互聯(lián)”問題。

一、工業(yè)互聯(lián)的障礙

在單個的機器生產(chǎn)，包括流程工業(yè)的運營中，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線是可以解決問題的，我們把這種定義為“集中控制”，由PLC/IPC作為控制中心，通過現(xiàn)場總線將分布式I/O節(jié)點、伺服驅動器等連接，并通過軟件定義的機器工藝與邏輯，控制機器的運行，保證加工速度與效率。

圖1-集中式控制到分布式計算的改變

而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則基于“協(xié)同制造”，通過數(shù)據(jù)來優(yōu)化生產(chǎn)中的節(jié)拍、降低不增值的生產(chǎn)環(huán)節(jié)消耗的時間成本，并且通過全局的產(chǎn)線、工廠數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)全局的“規(guī)劃”、“優(yōu)化”、“策略”這樣的邊緣計算問題，在更長的時間粒度上，還會牽扯到基于云的大數(shù)據(jù)分析、機器學習、深度學習等。

圖1反映了這種集中式控制與分布式計算架構的轉變，這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要特征。

1.1語義互操作問題

由集中式控制到分布式計算，這樣的架構使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線會遇到瓶頸，這包括以下幾個方面：

連接，缺乏統(tǒng)一的應用層協(xié)議，各個不同的總線包括Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen，這些使得設備間無法實現(xiàn)“語義互操作”，而對于M2M、以及垂直的B2M、包括端到端的B2B場景而言，語義互操作是必須解決的問題，否則數(shù)據(jù)就無法真正被連接。

語義互操作相當于用相同的語言說，而不是中文說“你好”、英語說“Hello”、法語說“ Bonjour”、 俄語會說Здравствуйте，而這些必須以統(tǒng)一的語言，在工業(yè)通信里包括語法結構、語義的統(tǒng)一和規(guī)范，這里強調的是統(tǒng)一規(guī)范，而不是每個公司都用不同的，例如5+5計算的時候，如果一個是125px，一個是5inch這個5+5就無法進行計算。

1.2網(wǎng)絡的統(tǒng)一性問題

工業(yè)網(wǎng)絡與IT的商業(yè)架構網(wǎng)絡有非常大的差別，工業(yè)網(wǎng)絡特別強調“實時性”-因為所有控制是基于“等時同步”，即網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，以及低抖動（一般在50nS左右），包括對安全性的需求（Safety而非信息安全的Security），而IT網(wǎng)路因為傳輸類似視頻、音頻、圖像、文件等需要高帶寬，以及安全性（Security），這些差異使得工業(yè)網(wǎng)絡與標準的以太網(wǎng)有很大的差別，在ISO/OSI模型中，工業(yè)網(wǎng)絡通暢僅物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層三層架構為主，交換機一般都不大使用，因為會有延時。

二、OPC UA扮演的角色

OPC UA和TSN嚴格來說并非是一項技術，而是標準，因為當整個互聯(lián)時，需要的是“標準與規(guī)范”，而OPC UA和TSN分別扮演語義互操作層的任務，而TSN則實現(xiàn)實時與非實時數(shù)據(jù)的統(tǒng)一網(wǎng)絡傳輸。

圖2-OPC UA模型架構

2.1OPC UA的功能與職責

OPC UA目的為了異構網(wǎng)絡間的的語義互操作問題，如圖2，為了實現(xiàn)這個目的由多個方面的功能與職責構成：

（1）.連接：OPC UA支持兩種模式的連接，對于MES/ERP、SCADA或者其它任何來自局域網(wǎng)、私有云架構、邊緣計算側的節(jié)點而言，都可以通過Client/Server架構和Pub/Sub機制來相互建立連接，OPC UA支持針對http/WebSocket、UA TCP的連接，以及JSON的支持，而Pub/Sub的機制如MQTT/AMQP也在最新的OPC UA中獲得了支持，使得OPC UA具有了廣泛適用性。

（2）.信息模型是OPC UA的核心

事實上，OPC UA的核心在于信息模型，這包括幾個方面：

--元模型：包括基礎的對象、參考、數(shù)據(jù)、類型與結構定義；

--內嵌信息模型，包括用于設備的，以及信息如歷史數(shù)據(jù)、報警、趨勢、日志等的數(shù)據(jù)規(guī)范；

--伴隨信息模型：OPC UA與各個行業(yè)的技術組織合作，將各種垂直行業(yè)的信息模型集成到OPC UA架構下，如MTConnect針對機床行業(yè)、PackML針對包裝工業(yè)、Euromap針對塑料工業(yè)，而Automation ML則針對汽車工業(yè)中的產(chǎn)線中機器人、控制器等的連接，包括最新的AutoID是針對RFID、條碼、二維碼的數(shù)據(jù)采集。

信息模型簡化了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理的工程量，否則，就會需要大量的工程時間消耗在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的配置、驅動的編寫、測試接口等，就無法快速擴張應用，使得工業(yè)互聯(lián)沒有經(jīng)濟性。

（3）.安全，傳統(tǒng)的實時以太網(wǎng)技術等由于采用的是非標準以太網(wǎng)的機制，因此，也無法與IT網(wǎng)絡同時運行，因此，通常這兩種網(wǎng)絡是完全隔開的，外界很難訪問實時網(wǎng)絡，因此，也不大存在數(shù)據(jù)安全問題，主要是在人身與財產(chǎn)安全的功能（基于IEC61508/ISO10218-針對機器人行業(yè)等），而對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這個安全就變得迫切，因此，OPC UA在整個架構設計中就貫穿了安全機制，包括加密、角色管理等多重機制。

2.2OPC UA被工業(yè)界大多數(shù)企業(yè)與組織所支持

目前，OPC UA基金會有大約4000多支持的企業(yè)，包括了全球最為知名的自動化廠商如ABB、SIEMENS、ABB旗下的B&R、Rockwell AB、Schneider、NI、和利時等眾多主流自動化廠商，也包括CISCO、Microsoft、SAP，以及國內的華為，各個現(xiàn)場總線基金會、如FDT/DTM、EPSG、ETG，包括VDMA、ZVI等協(xié)會都加入OPC UA基金會，共同推動OPC UA標準與規(guī)范。

OPC UA也是美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織IIC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構IIRA的通信互聯(lián)標準，而對于德國工業(yè)4.0而言，其Administration Shell是其協(xié)同關鍵，也是支持OPC UA作為通信標準，包括中國的智能制造標準體系也同樣支持OPC UA作為信息傳輸標準與規(guī)范。

如圖3所示，工業(yè)4.0實現(xiàn)中，通信則是基于OPC UA扮演非常關鍵的角色，在多個層次進行數(shù)據(jù)的傳輸，并通過伴隨協(xié)議來支持垂直行業(yè)的信息交互。

圖3-基于OPC UA的工業(yè)4.0通信實現(xiàn)

三、TSN--遠非聚焦工業(yè)的通信技術

3.1TSN應用于哪些場景？

在ISO/OSI模型中，TSN主要聚焦在第二層，最初，它是為了音/視頻同步而設計，后來被汽車行業(yè)關注成立了IEEE802.1Q工作組用于AVB(Audio-Video Bridge)，后來被工業(yè)領域的人關注，在2015年由主要的自動化、IT廠商成立了TSN工作組致力于開發(fā)具有通用架構的網(wǎng)絡基礎設施，目前華為、CISCO這些IT廠商、ABB、Shneider、SIEMENS幾乎絕大多數(shù)的自動化廠商都參與到了這個技術的研發(fā)與標準的制定過程中。

圖4顯示了TSN對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽脠鼍?，包括了廣播、精確同步時鐘（工業(yè)場景、航空航天、高鐵、車聯(lián)網(wǎng)）、用于安全的實時控制（SIL3/PL e等級的安全需要高動態(tài)響應網(wǎng)絡支持）、高吞吐量的數(shù)據(jù)如圖像、高清視頻，包括未來的AR/VR應用于工業(yè)的場景，都需要高帶寬、低延時的網(wǎng)絡來實現(xiàn)傳輸，因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)—這個包括了多種類型數(shù)據(jù)、應用場景的未來趨勢，必須借助于TSN這樣的網(wǎng)絡，當然，TSN目前主要在底層有線網(wǎng)絡，未來低延時網(wǎng)絡也會包括DetNet（由電信運營企業(yè)建立的上層網(wǎng)絡）、5G都會融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，各司其職的進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4-TSN應用于多種數(shù)據(jù)的傳輸需求而產(chǎn)生

2.2TSN技術由哪些構成？

TSN技術的實現(xiàn)是基于“橋接”網(wǎng)絡技術，而且采用了更為精準的gPTP時鐘（相對于傳統(tǒng)IEEE1588的升級版），時鐘數(shù)據(jù)會在第2層直接插入到數(shù)據(jù)幀，而不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡采用IPv4/IPv6的IP數(shù)據(jù)包傳輸時間，由于經(jīng)過路由等會有較大的延時，TSN有眾多的Shaper-整形器來對數(shù)據(jù)進行分類調度，時間嚴苛需求就可以走直接的預先規(guī)劃的時間通道，而其它則基于“Best Effort”的策略來進行優(yōu)先級傳輸調度。

TSN有系列的技術標準構成，目前IEEE已經(jīng)發(fā)布了很多標準，如圖5所示，它包括了多個部分的標準：

圖5-TSN相關標準

（1）.時鐘同步，包括IEEE802.1AS和為了工業(yè)更為可靠的時鐘同步修訂版IEEE802.1AS-Rev,相對而言，IEEE802.1AS-rev對于網(wǎng)絡的時鐘精度要求更高，而且它支持一步機制，不像有些網(wǎng)絡節(jié)點如果不帶時間戳還需第二步額外再發(fā)一個時間信息包。

（2）.數(shù)據(jù)流控制相關的標準

主要是針對各種整形器的標準（Shaper），在數(shù)據(jù)流處理（如圖6所示），經(jīng)過接收端、入口、濾波、流量計量，到達交換機隊列中，而傳輸選擇則是基于不同的整形器（Shaper）來進行不同應用場景的流控制，主要包括以下幾種情況：

CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB標準包；

TAS—時間感知執(zhí)行器，對于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器，目前這個主要針對工業(yè)應用場景；

搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,這個是為了讓Qbv的帶寬使用更為高效而設計的機制；

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉發(fā)，以及Qcr異步數(shù)據(jù)流整形（ATS）等，這些不同的整形器基于不同的應用場景。

圖6-IEEE802.1Q的標準數(shù)據(jù)幀處理流程

（3）.為了可靠性而設計的標準

IEEE802.1AS-Rev主要是為了避免主時鐘失效時切換到另一個主時鐘；

IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯-針對數(shù)據(jù)幀為及時到達或者錯誤的數(shù)據(jù)幀等進行的處理機制；

IEEE802.1QCB-針對數(shù)據(jù)幀的復制與解除-數(shù)據(jù)沿著環(huán)路走時會復制，但在某個節(jié)點相遇則會解除一個數(shù)據(jù)幀的處理機制。

（4）.網(wǎng)絡配置協(xié)議

包括IEEE802.1Qat-針對汽車行業(yè)的AVB協(xié)議包里的一個流預留協(xié)議（Stream Reservation Protocol）；

IEEE802.1Qcc，針對SRP的增強版，用于配置TSN網(wǎng)絡中的Qbu+802.3br、Qbv等，包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規(guī)范，這些都是為了更好的配置網(wǎng)絡和用戶。

2.3TSN的主要開發(fā)者

目前TSN由包括Cisco、華為等眾多IT和自動化廠商來開展，圖7是最早的參與者，積極的進行各種TSN技術的研發(fā)，目前這個隊伍已經(jīng)擴展至幾乎所有的主流自動化廠商，也包括國內的很多科研院所、大學、企業(yè)，并且一些企業(yè)如貝加萊、西門子、三菱、倍福、TTTech等已經(jīng)有產(chǎn)品在2017/2018年的德國SPS和漢諾威展展出。

圖7-TSN最初的核心發(fā)起者企業(yè)

四、OPC UA TSN構成了邊緣與云端的數(shù)據(jù)源

總結一下，用圖8，我們看到，OPC UA和TSN在整個ISO/OSI模型中分別解決了多個層次的問題，雖然看上去TSN僅處于第2層，但實際上，它是一個橋接網(wǎng)絡，網(wǎng)絡會由各個節(jié)點通過RSTP-快速生成樹的方式形成一個路徑表，這有點類似于路由表，每個節(jié)點都會存儲這個路由表，然后對轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行中繼傳輸，而OPC UA則包括了會話、表示和應用層，包括如何建立主從、Pub/Sub的連接，以及安全的數(shù)據(jù)傳輸TLS機制。

圖8-OPC UA TSN在ISO/OSI模型中的定義

因此，我們可以看到，OPC UA TSN構成了類似于Internet的架構，而它是真正針對工業(yè)的場景的，未來，由OPC UA TSN構成的網(wǎng)絡將會成為邊緣計算端、云端等應用的數(shù)據(jù)源。