OPC UA、TSN和传统工业以太网系统将在未来扮演什么角色》

  通过合作实现更大的普适性

  OPC UA通过其地址空间形成通用应用接口，而TSN为标准以太网添加实时能力并实现千兆位数据速度。因此，通过发布/订阅(pub/sub)模型将这两种技术结合起来是有意义的，但在工业4.0的背景下，工业通信还有其他可能性。在本次采访中，ADI公司确定性以太网技术部的系统应用工程师Volker Goller提供了一些背景信息。

  问：在OPC UA TSN系统中，OPC UA和TSN分别承担哪些任务和功能？

  答：为了阐明OPC UA的作用，我想引用OPC基金会副总裁Stefan Hoppe的话：“OPC UA不是一种协议，而是一种信息模型。”他的意思是，OPC UA首先且最重要的是一种信息模型。当然，它还是一种用于连接客户端和服务器的协议，但OPC UA的优势在于地址空间，正是这一点使得OPC UA成为通用应用接口。OPC UA非常灵活，允许将现有用户接口（工业以太网协议的配置文件）映射到OPC UA。因此，现在工业以太网协议中的几乎每个配置文件在OPC UA地址空间中都有表示，或者正在开发以实现其表示。OPC UA尚未明确这些配置文件（I/O、驱动器、安全等），但很可能会改变。在工业4.0的框架下，OPC UA被视为未来非常有前途的通用语言。

  相比之下，TSN是IEEE-802.1以太网的扩展，具有完整的一系列新能力，旨在让以太网更具确定性和实时性。因为预计未来将有众多制造商生产支持TSN的硬件，所以也可以把它视为实时通信的平民化。几乎每种协议都可以通过TSN获得实时能力。

  在此背景下，成立了一个pub/sub工作组，目的是在TSN的帮助下，为OPC UA指定一种实时传输协议。这将使OPC UA具备实时性，从而可以替代工业以太网协议。它将受到传统PLC以上层次的热烈欢迎，因为来自不同制造商的控制器将能与OPC UA实时交互。TSN还能为OPC UA提供有保证的网络带宽，因而其鲁棒性会比目前所能实现的要更高。

  但是，pub/sub不是让OPC UA具备实时能力的唯一途径。业界也在努力开发一种针对DDS的OPC UA模型，DDS是一种应用广泛且经过验证的实时协议。这将使得分布式系统的运行具有DDS/TSN能力，并将OPC UA用作应用接口。

  结果如何还有待观察。

  问：未来哪些任务和功能会留给传统工业以太网系统和现场总线？

  答：传统工业以太网协议不会消失。在未来，有些仍会以不同形式存在（作为OPC UA中的配置文件或配置文件系列），有些则将基于TSN。传统现场总线将被以太网取代。

  问：在OPC UA TSN系统中，除了配置文件级别的OPC UA TSN，传统工业以太网系统可以履行哪些任务和功能？

  答：需要再次澄清，TSN并不会自动实现OPC UA。它们是两种完全独立的技术。OPC UA可以在控制器网络（控制器到控制器）中发挥重要作用。pub/sub与TSN在这里很有优势；它是否也能在现场层面发挥作用尚有待证实，因为OPC UA不是一个小堆栈，至少如果您希望利用其全部优势，它不会是一个小堆栈。

  问：传统工业以太网系统的用户组织如何应对TSN挑战？

  答：我想说，所有用户组织都在响应TSN带来的机会。TSN有望提供更多硬件选择，尤其是基础设施组件，并且实现更高速度，即1 Gbps或更高。最终，我们将看到Profinet®TSN，以及EtherNet/IP®over TSN和OPC UA Pub/Sub。

  问：TSN能否支持实时并将周期时间降至31.25μs，在未来甚至可能更低？

  答：在100 Mbps的速度，要使周期时间低于250μs，现有工业以太网协议将不得不对标准以太网进行重大修改。对于非标准方法，例如EtherCAT®甚至Sercos所基于的集总帧协议，IEEE并不是很友好。这些扩展不大可能被纳入TSN标准。

  针对您的问题，TSN将达到IEEE定义的极限，即100 Mbps时250μs——至少只要标准TCP/IP应用的真正并行操作必须有效。如需更短的周期时间，通往1 Gbps的道路已开放。

  问：TSN如何解决或预期如何解决安全问题？

  答：安全一般运用Black channel原则。安全性定义在实际通信协议之上。然而，通信信道的可靠性是安全考虑因素之一。TSN不会比今天的系统更不可靠。

  问：OPC UA协议也可以通过传统工业以太网系统传输，如时隙或隧道。那么为什么它还需要TSN呢？

  答：TSN在标准以太网基础上增加了确定性和实时性。在很多情况下，不同的协议共存于同一根电缆中。TSN支持在一根电缆中实现实时和“尽力而为”型TCP/IP的稳健共存。

  问：TSN相对于传统工业以太网系统到底有哪些优势？

  答：TSN不是一种新的工业以太网协议。它是对标准以太网的统一扩展，增加了实时能力。我们已阐明其优势：硬件可用性、统一基础设施以及与速度无关的定义。

  问：成本在这里扮演什么角色？

  答：可扩展的标准化硬件和基础设施有望降低成本并统一技术诀窍。

  问：实现1 Gbps或更高数据速率的期望起着什么样的作用？

  答：1 Gbps（及以上）是当今网络的逻辑进展。它是否会取代100 Mbps？不会完全取代，但是

  1 Gbps支持新的应用，并且可以克服当今数据密集型应用的性能瓶颈。

  TSN不是一种新的工业以太网协议，而是对标准以太网增加实时能力的统一扩展。

  作者简介

  Volker E.Goller是ADI公司的一名系统应用工程师。他在复杂运动控制和嵌入式传感器到时间敏感型网络技术的各种工业应用领域拥有超过30年的丰富经验。作为一名商用软件开发人员，Volker为无线和有线应用开发了各种通信协议和堆栈，同时积极参与行业领先组织的新通信标准制定。