OPC UA TSN未来工业通信标准你想不想精通它而且它与can通信协议是不是又是一对难忘的情侣呢
尽管OICT融合（运营Operational、信息Information、通讯CommunicationTechnology）已成为一项产业共识，但推动其实现并非易事。在探讨智能制造的多种途径，包括边缘计算、大数据、工业互联网和工业物联网时，我们首先遇到的问题往往是连接问题。若不解决这一问题，便无法推进其他工作。
IT与OT融合的难度在哪里？
1.1 从现场总线到实时以太网
图1展示了对制造业现场通信网络的一种简化描述。相较于传统的PLC集中式控制，现场总线为工业控制系统带来了便利，通过统一的总线实现了分布式控制，并且使接线更简单，同时系统配置和诊断工作量减少。然而，每家公司都开发了自己的总线，而IEC标准中有超过20种不同的总线类型。这导致不同公司间业务聚焦和技术路线差异，使得同一种标准设备可以互联，但不同标准设备则无法互联。
图1-OPCUATSN技术产生基础原因
这也是为什么实时以太网技术在21世纪初开始应用的原因。2001年贝加莱发布POWERLINK实时以太网，这是工业领域第一个实时以太网协议，它相对于传统总线来说，在物理介质、节点数、距离、带宽和校验方式上都采用了标准的IEEE802.3网络，因此在这个层面上实现了一致性。
1.2 互连互通与语义互操作
然而，实时以太网仅解决了物理层及数据链路层的问题，对于应用层而言仍然无法达到真正意义上的联通性。此外，即使是在应用层采用诸如Profibus或CANopen等协议，它们也不能提供语义级别的互操作性。语义级别意味着“5+5”这样的计算不仅要处理物理信号，还要理解这些信号背后的含义，比如单位，“5英寸+5厘米”是不可能进行加法计算的，因为需要更多信息来表达这些参数所代表的事务。
1.3 智能时代中的工业通信
在前面的讨论中，我们主要关注的是如何将工厂内部各个水平及垂直方向上的物理信号采集与信息传输，但到了智能制造时代，我们需要更加全局性的数据采集、传输分析以及优化，以此来提升生产效率并实现协同生产。此时，IT与OT之间会遇到以下复杂性：
➀ 总线复杂性的障碍
由于各类总线存在差异，不同公司间甚至相同行业内也有许多不同的规范，这就造成了一系列障碍，如网络驱动程序编写、新旧设备兼容等问题，为IT访问OT创造了巨大的挑战。
➁ 周期性与非周期性的数据传输需求
IT与OT之间还存在周期性和非周期性的数据传输需求，这导致它们使用不同的机制，其中主站通常通过轮询模式分配时间片给从站，而对于IT而言，其通常是基于无需预定义时间片即可发送消息的情况。但现有的标准以太网未能满足这种需求，因此才发展出POWERLINK等基于以太网协议来应对这种情况。
➂ 实时性的差异要求
由于不同场景下的实际需求迥异，对于微秒级运动控制任务而言，可靠低延迟性能至关重要，而对于大部分IT网络而言，则更侧重于高吞吐量、高可用度但并不那么敏感于微秒级延迟的问题。
二 OPCUATSN角色
图3展示了OPCUA和TSN在ISO-OSI模型中的位置，其中OPCUA主要解决应用层的问题，而TSN位于数据链路层。这两者都是为了应对目前行业面临的一个共同挑战：确保各种设备能够安全地交换信息，并能够高效地进行协作，以支持更加灵活、高效以及自适应型自动化系统设计。
图3 - OPCUA 和 TSN 在 ISO-OSI 模型中的位置
相比之下，OPCUA出现较早，所以我们先介绍它，然后再谈TSN。
2.1 OPCUA 的角色及其意义
➀ 角色解释：
OPC UA 主要针对 IEC 关于通信互联报告中提到的三方面缺陷：不兼容（Incompatible）、共存不考虑（Coexist without Consideration）、及没有语言支持（No Language Support）。它专注于跨越多个厂商界限，使得来自不同来源但符合一定规格的人机界面能够顺畅地交换信息，无论是在企业内部还是跨越企业界限。
➁ 核心问题 — 信息模型：
尽管 OP CU A 有很多潜在用例，比如非盈利组织、中立机构、私有云服务提供商，以及丰富丰富程度极高且覆盖广泛范围内所有电子产品市场所需的一致平台；但是，对于智能制造环境来说，与众多机器间协作(M2M)、业务管理系统(BMS) 与产排单(Scheduling) 系统间协作(B2B)、以及业务单元(Business Unit) 之间相关项目执行(PEX) 需求最强烈的是跨越组织边界(Cross-Boundary Collaboration)，即 BSM (Business System Management), HMI(Human Machine Interface), IT/IS (Information Technology & Information Systems) 及 MES (Manufacturing Execution System).
图6 展示了一些特定行业中使用 OP CU A 标准化方法，如塑料加工行业。一旦这些方法被接受并普遍采用，就可以让整个供应链变得更加透明，更容易监控，从而提高整体生产力。
图7 则展示了一些 Industry4.0 中 AdministrationShell 定义 采用 OP CU A 进行描述的一个示例。如果成功实施，可以帮助改善资源利用率，加速决策过程，并促进创新活动。
因此，我们可以看到 OP CU A 在整个 O ICT 融合过程中扮演着关键角色。而由于 OP CU A 基金会公益性的特点以及 IEC62451 标准等因素，使得该基金会成为了全球最重要自动化厂商参与的大规模合作伙伴体系之一——拥有4000余家成员，是当前世界上最活跃的大型开放社区之一。
2.2 TSN 角色
相比之下，由 TSN 技术解决方案提供支持的是那些寻求增强其网络能力，以便处理复杂场景下的 industrial automation 需求的地方。当考虑到随着 IoT 和 IIoT 的兴起，以及对更快速度、一致性能、一致流程以及深入了解每个步骤发生的事情追求，当考虑到当今快速变化环境下的自动化趋势，那么创建一个新型硬件平台或者软件架构似乎是不够用的。在这个背景下，让现有的硬件生态结构得到升级已经成为必要，这就是 TSN 技术发挥作用的时候——允许现有硬件同时运行新的功能，同时保持成本优势这是关键一步向前移动，它不是只改变某些组件或重新部署所有东西，而是一个综合包装，可以轻松适应不断增长变化的地方要求你的技术栈从核心出发，将你引导进入未来世界
以上内容详细说明了 O ICT 融合中的 IT 与 OT 网络沟通难题，以及如何通过 OPC UA 和 TSN 来克服这些困难，为智能制造环境创造条件，该结合起来形成一个具有高度可扩展性、高灵活性、高安全性的数字孪生模型，从而促进知识转移，在全球范围内建立持续学习循环，有助于我们继续探索新的可能性。
