通過合作實現更大的普適性

OPC UA 通過其地址空間形成通用應用接口，而TSN為標準以太網添加實時能力并實現千兆位數據速度。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 公司確定性以太網技術部的系統應用工程師 Volker Goller 提供了一些背景信息。

問：在OPC UA TSN系統中，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，允許將現有用戶接口(工業(yè)以太網協議的配置文件)映射到OPC UA。因此，現在工業(yè)以太網協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以太網的擴展，具有完整的一系列新能力，旨在讓以太網更具確定性和實時性。因為預計未來將有眾多制造商生產支持 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議。這將使OPC UA 具備實時性，從而可以替代工業(yè)以太網協議。它將受到傳統 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提供有保證的網絡帶寬，因而其魯棒性會比目前所能實現的要更高。

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過驗證的實時協議。這將使得分布式系統的運行具有 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工業(yè)以太網系統和現場總線?

答：傳統工業(yè)以太網協議不會消失。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。傳統現場總線將被以太網取代。

問：在OPC UA TSN系統中，除了配置文件級別的OPC UA TSN，傳統工業(yè)以太網系統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OPC UA。它們是兩種完全獨立的技術。OPC UA 可以在控制器網絡(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：傳統工業(yè)以太網系統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，現有工業(yè)以太網協議將不得不對標準以太網進行重大修改。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不會比今天的系統更不可靠。

問：OPC UA 協議也可以通過傳統工業(yè)以太網系統傳輸，如時隙或隧道。那么為什么它還需要TSN 呢?

答：TSN 在標準以太網基礎上增加了確定性和實時性。在很多情況下，不同的協議共存于同一根電纜中。TSN 支持在一根電纜中實現實時和“盡力而為”型 TCP/IP 的穩(wěn)健共存。

問：TSN 相對于傳統工業(yè)以太網系統到底有哪些優(yōu)勢?

答：TSN 不是一種新的工業(yè)以太網協議。它是對標準以太網的統一擴展，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一技術訣竅。

問：實現1 Gbps 或更高數據速率的期望起著什么樣的作用?

答：1 Gbps(及以上)是當今網絡的邏輯進展。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據密集型應用的性能瓶頸。

TSN不是一種新的工業(yè)以太網協議，而是對標準以太網增加實時能力的統一擴展。

采訪由德國 Markt&Technik 的 Andreas Knoll 完成。