工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第一步：工業(yè)數(shù)據(jù)通訊的“大一統(tǒng)”

　　眾所周知，以太網(wǎng)已經(jīng)成為家庭、企業(yè)及數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡連接和互通的最廣泛的通信協(xié)議標準。然而因為其確定性、實時性、可靠性等因素，傳統(tǒng)以太網(wǎng)并不適用于工業(yè)數(shù)據(jù)通訊。例如以太網(wǎng)存在的CSMA／CD機制，當網(wǎng)絡出現(xiàn)沖突時需不斷重發(fā)數(shù)據(jù)，這對于網(wǎng)絡實時性帶來挑戰(zhàn)；另外，因工業(yè)現(xiàn)場面臨惡劣的工況、嚴重的線間干擾等，也導致以太網(wǎng)可靠性大打折扣。

　　所以，因為以太網(wǎng)設計之初并非從工業(yè)網(wǎng)應用出發(fā)，促使工控領(lǐng)域的各大廠商紛紛研發(fā)出適合自己工控產(chǎn)品的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，比如西門子的Profinet、施耐德的Modbus TCP／IP、羅克韋爾的Ethernet／IP、還有EtherCAT、Powerlink、CC－Link等等。而工業(yè)以太網(wǎng)，相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等在實時性、傳輸速率等方面都有明顯的改觀。

　　不過，這些專有的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議仍然面臨瓶頸，雖然它們在滿足機器運動控制等方面已經(jīng)綽綽有余。

　　因為當云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)數(shù)據(jù)通訊并不再僅限于機器到傳感層，也不僅限于機器到機器之間，而是擴展到了與人、云和應用等更豐富的連接。有更多類型和更多海量的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理，而對于數(shù)據(jù)處理的鏈條也變得更長，包括在邊緣側(cè)，包括云端，包括與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的逐步打通。因此，如何應對通過更高帶寬進行海量數(shù)據(jù)的聯(lián)接和傳輸，如何做到更精準的確定性控制和更低時延，仍是工業(yè)制造的巨大挑戰(zhàn)。所以，一個打破碎片化的通訊協(xié)議，以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)鏈路的服務標準，對于工業(yè)制造的未來更為重要。

　　TSN（時間敏感網(wǎng)絡）＋ OPC UA（OPC統(tǒng)一架構(gòu)）成為從傳感器到云端建立全面通訊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最佳拍檔。

　　TSN的工作原理是優(yōu)先適用（IEEE P802．3br）機制，在傳輸中讓關(guān)鍵數(shù)據(jù)包優(yōu)先處理。這意味著關(guān)鍵數(shù)據(jù)不必等待所有的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)完成傳送后才開始，從而確保更確定、更快速的傳輸路徑。本質(zhì)上來說，TSN建立了一套能使以太網(wǎng)具有實時性和確定性的新標準。

　　基于TSN提供的網(wǎng)絡通信的高確定性和低時延之上，OPC UA則提供了一個獨立于平臺的面向服務的體系架構(gòu)，它定義了統(tǒng)一的標準和信息模型，可以實現(xiàn)設備與設備、設備和企業(yè)，以及不同廠商設備之間的交互。

　　TSN＋OPC UA組合提供了一個實時、高確定性并真正獨立于設備廠商的通信網(wǎng)絡，將會在帶寬、安全、互操作、延遲和同步等方面帶來巨大改善。

　　舉例來說，在工廠數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運營中，都會需要對現(xiàn)場的機器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)進行采集，有了TSN＋OPC UA，數(shù)據(jù)不用再歷經(jīng)PLC控制器、SCADA系統(tǒng)、MES系統(tǒng)…就可以直接連入云端。OPC UA作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一格式，無論是傳感器層還是云平臺層都可以部署，保持全棧信息模型的統(tǒng)一。

　　也就是說，TSN＋OPC UA就像秦始皇統(tǒng)一度量衡一樣，徹底統(tǒng)一了數(shù)據(jù)鏈路的服務標準，也就是徹底統(tǒng)一了工業(yè)界近百種碎片化的通訊協(xié)議。一個統(tǒng)一的，有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于數(shù)字化社會發(fā)展的貢獻，絕不亞于秦始皇“書同文，車同軌”的舉措。實現(xiàn)這種大一統(tǒng)之后，必然會造成一系列顛覆性的連帶反應，傳統(tǒng)工業(yè)的金字塔架構(gòu)在很大概率上會被直接打破，變成扁平化結(jié)構(gòu)，不用再經(jīng)過層層設備，數(shù)據(jù)獲得可以直接“跳步”貫穿到數(shù)據(jù)分析和應用。

　　當然，TSN＋OPC UA組合在工業(yè)領(lǐng)域的應用尚處于起步階段，越來越多的工業(yè)供應商、ICT廠商和芯片供應商也在共同加快對其測試和驗證。

　　在剛剛召開的2018漢諾威工業(yè)博覽會上，多家組織和廠商聯(lián)合就展開了一場針對TSN＋OPC UA場景應用的測試驗證。包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）、Avnu聯(lián)盟、邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）、Fraunhofer FOKUS、華為、施耐德電氣、和利時、美國國家儀器（NI）、貝加萊（B＆R）、TTTech、思博倫通信（Spirent CommunicaTIons）等超過20家國際組織和業(yè)界知名廠商，聯(lián)合發(fā)布了包含六大工業(yè)互聯(lián)場景的TSN＋OPC UA智能制造測試床。

　　歐洲最大的應用科學研究機構(gòu)弗勞恩霍夫協(xié)會－開放通訊系統(tǒng)研究所（Fraunhofer FOKUS）的Alexander Willner博士表示，“自從可編程邏輯控制器（PLCs） 問世以來，工業(yè)自動化流程得到了極大優(yōu)化。OT（運營技術(shù)）與IT（信息與通信技術(shù)）之間的融合令人興奮，將帶來有趣的創(chuàng)新體驗。OPC UA和TSN的結(jié)合，讓工業(yè)領(lǐng)域得以實現(xiàn)實時信息交換和互操作。聯(lián)合測試床中演示的場景展示了我們各自的技術(shù)優(yōu)勢，我們對數(shù)字網(wǎng)絡的未來充滿期待。”

　　在過去從現(xiàn)場層、控制層到信息層，最佳方案是采用相似供應商的產(chǎn)品才容易集成和貫通，但是現(xiàn)在，由企業(yè)互相競爭而造成的“人為邊界”已經(jīng)有被打破的跡象，因為無論產(chǎn)品類型、品牌和功能等差異如何存在，都可以輕而易舉地實現(xiàn)從下到上的貫穿和整合。

　　當然，業(yè)內(nèi)對于TSN＋OPC UA的追崇并非因其高帶來的高可靠性、實時性那么簡單，更重要的是，它們通過改寫工業(yè)通訊的底層架構(gòu)，真正為智能制造轉(zhuǎn)型打開了大門。

　　無論是德國的“工業(yè)4.0”、亦或中國的“中國制造2025”等戰(zhàn)略，其背后的技術(shù)基礎(chǔ)均是物聯(lián)網(wǎng)的開啟。而TSN＋OPC UA正是打通工業(yè)互聯(lián)最后一公里的關(guān)鍵所在，也是真正實現(xiàn)OICT融合，加速智能制造的關(guān)鍵所在。

　　TSN＋OPC UA通過改變工業(yè)數(shù)據(jù)通訊將會加速形成成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用和生產(chǎn)體系，因為它帶來了數(shù)據(jù)流動的暢通無阻。