OPC UA TSN未来工业通信标准你想不想精通ff现场总线也在它的怀抱中跳跃
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路径，如边缘计算、大数据、工业互联网和工业物联网时，我们首先面临的一个问题是连接问题。要解决这个问题，IT与OT（操作技术）的融合便显得尤为重要。
IT与OT融合的难点在哪里？
1.1 从现场总线到实时以太网
图1 描述了对制造业现场通信网络的一次简化概述。相比传统的PLC集中式控制，现场总线为工业控制系统带来了便利性，它通过统一的总线实现分布式控制，并且通过总线简化接线，使得系统配置和诊断工作量降低。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。这使得不同厂商之间存在互联障碍，因为各自业务聚焦和技术路线不同，从而导致同一标准设备能够互联，而不同标准设备则无法互联。
图1 - OPC UA TSN 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之一。2001年贝加莱推出了POWERLINK实时以太网，这是工业领域第一个实时以太网。相较于传统总线，实时以太网在物理介质、节点数、距离、带宽和校验方式等方面采用了标准IEEE802.3网络，因此实现了一定的统一。
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和数据链路层的问题，对于应用层仍然存在挑战。在应用层采用诸如Profibus或CANopen等协议，这些协议无法实现语义级别上的交互性。
简单来说，语义级别上的交互性指的是自动化控制中的“5+5”这样的计算直接处理信号处理，而对于IT网络传输丰富数据结构及类型，则需要更多信息，如单位，“5英寸+5厘米”明显不能进行加法计算。这时候我们需要语义规范与标准，以便让不同的系统之间理解每个参数所表达的含义。
1.3 智能时代的工业通信
到了智能制造时代，我们不仅需要水平垂直方向上采集与传输物理信号，还需要全局性的数据采集、传输、计算分析优化，并最终实现协同生产效率提升。在这种情况下，IT与OT的融合会遇到以下复杂性：
➀ 总線複雜性的帶來障礙
總線複雜性不僅對製造現場造成復雜，也為IT訪問OT帶來巨大障礙，因為為了不同的數據訪問就需寫不同的網絡驅動程式，对於老工廠採用的異常物理介質之下的總線還需額外配置網絡適配模組，再就是軟體層面的驅動程式，即使採用實時乙太網語義仍需編寫不同的接口程序。而繁榮之處見於各種總線與應用層結合出成千上萬種可能，這樣讓IT為配置網絡數據采集與連接數據預處理等工作花費巨大，這樣就缺乏經濟必要—這是技術推進難點中的首要障礙，如果無法經濟實施項目，那麼就沒有投入必要。
➁ 周期與非周期數據傳輸
因為資料需求差異導致網絡需求差異，這使得往往采用不同機制對於OT而言，其控制任務周期性，因此采用的是輪詢機制，由主站對從站分配時間片模式，而對於非周期數據則由標準乙太網無法滿足定期性的確定傳輸以及微秒級別之實時性能才發展出POWERLINK Profinet等基於乙太網之協議，但這些都不允許一個單一網路內同時傳輸兩種型態資料。
➂ 實時性能差異
由於實時性能需求不盡相同，也導致IT與OT間存在差異，在微秒級別運動控制任務而言要求超低延遲與抖動，並且對待_IT_network_則往往不設置特殊要求但卻有著高負載要求。
二 OPCTSN 的角色
圖3 描述了OPCUA & TSN 在ISO-OSI模型中所占位置，可以看出OPCUA 主要解決應用層問題，而TSN 則位於資料鏈路層。
相較起來TSN 技術才剛開始進入產業視野，但是TSN 技術並不是最近幾年的發明，它最初被應用于音頻/視頻同步的情景後隨著汽車工業中無人駕駛/輔助駕駛技術需求增加，被納入開發中。而2012 年原有的IEEE802.1Q 成立了一個專注工業互联网實時性的工作組稱作IEEE802.1TSN。
TSN 解決之前我們第一節討論過的话题：周期データ& 非周期数据同时发送的问题，以及对于确保所有任务完成前必须按顺序完成的事务流水逻辑的问题。现有的標準Ehternet IEEE802.3 并没有确定时间戳，因此才发展出了各种RT-Ethernet。如果今天使用 TSNSpecification 来做到这些将会极大地简化整个智能集成过程，并变得更为简单。此外它还可以让两种完全不同功能(例如：机器人的运动命令vs远端数据库查询)共存并平滑运行在同一个网络环境内，这将极大的提高生产效率并减少成本开支。
三 结论
综上所述，无论是在历史背景还是现在实际应用中，都可以看到OPCUA 和 TSN 是如何帮助改善当前 industrial communication 界面及其相关挑战。本文旨在提供一种新的视角来思考这些关键技术如何共同作用，以促进 industrial automation 中未来可持续发展。此外，本文也强调了解决 industrial communication 挑战至关重要，因为这是达到真正数字转型目标的手段之一，其中包括增强灵活性、高效利用资源以及支持创新活动本身。此类目标无疑对企业竞争力至关重要，并且随着越来越多行业逐步实施数字策略，这些目标将变得更加紧迫。这篇文章提出的见解应激励读者进一步探索OPCUA 和 TSN 这两个关键技术如何结合起来，为创建更加有效、高效的人工智能驱动生产设施奠定基础。这是一个充满可能性的大趋势，而且正因为如此，它也值得深究研究。
四 引用文献：
[参考文献]
五 附录：
[附录内容]
