OPC UA透過其位址空間形成通用應用介面,而TSN則為標準乙太網路添加即時能力,並可實現十億位元的資料傳輸速度。因此,透過發佈/訂閱(pub/sub)模型將這兩種技術結合起來是有其意義的,但在工業4.0的背景下,工業通訊更具有其他的可能性。

至於OPC UA TSN系統中,OPC UA和TSN分別承擔哪些任務和功能呢?OPC基金會副總裁Stefan Hoppe曾表示:「OPC UA不是一種協定,而是一種資訊模型。他的意思是,OPC UA首先且最重要的是一種資訊模型。當然,它還是一種用於連接用戶端和伺服器的協議,但OPC UA的優勢在於位址空間,正是這一點使得OPC UA成為通用應用介面。

OPC UA非常靈活,允許將現有使用者介面(工業乙太網路協定的設定檔)映射到OPC UA。因此,現在工業乙太網路協定中幾乎每個設定檔在OPC UA位址空間中都有表示,或者正在開發以進而實現。OPC UA尚未明確這些設定檔(I/O、驅動器、安全等),但很可能會改變。在工業4.0的框架下,OPC UA被視為未來非常具有前景的通用語言。

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相較之下,TSN是IEEE-802.1乙太網路的擴展,其具有完整的一系列新能力,目的旨在讓乙太網路更具確定性和即時性。因為預計未來將有眾多製造商生產支援TSN的硬體,所以也可以把它視為即時通訊的平民化。幾乎每種協議都可以透過TSN獲得即時能力。

在此背景下,pub/sub工作組小組應運而生,其目的是在TSN的協助下,為OPC UA指定一種即時傳輸協議。這將使OPC UA具備即時性,從而可以替代工業乙太網路協定。它將受到傳統PLC以上層次的熱烈歡迎,因為來自不同製造商的控制器將能與OPC UA即時交互。TSN還能為OPC UA提供有保證的網路頻寬,因而其強固性會比目前所能實現的要更高。

但是,pub/sub不是讓OPC UA具備即時能力的唯一途徑。業界也正在努力開發一種針對DDS的OPC UA模型,DDS是一種應用廣泛且經過驗證的即時通訊協定。這將使得分散式系統的運行具有DDS/TSN能力,並將OPC UA用作應用介面。結果如何還有待觀察。

未來將留給傳統工業乙太網路系統和現場匯流排的任務和功能

傳統工業乙太網路協定不會消失。在未來,有些仍會以不同形式存在(作為OPC UA中的設定檔或設定檔系列),有些則將基於TSN。傳統現場匯流排將被乙太網路取代。TSN並不會自動實現OPC UA。它們是兩種完全獨立的技術。OPC UA可以在控制器網路(控制器到控制器)中發揮重要作用。pub/sub與TSN在這裡很具有優勢;它是否也能在現場層面發揮作用尚有待證實,因為OPC UA不是一個小堆疊,至少如果您希望利用其全部優勢,它不會是一個小堆疊。

TSN可望提供更多硬體選擇,尤其是基礎設施元件,並且實現更高速度,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。在100 Mbps的速度,要使週期時間低於250μs,現有工業乙太網路協定將不得不對標準乙太網路進行重大修改。

對於非標準方法,例如EtherCAT甚至Sercos所基於的集總幀協議,IEEE並不是很友好。這些擴展不大可能被納入TSN標準。TSN將達到IEEE定義的極限,即100Mbps時250μs——至少只要標準TCP/IP應用的真正平行作業必須有效。如需更短的週期時間,通往1Gbps的道路則已開放。

TSN如何解決或預期如何解決安全問題?

安全性方面一般運用了Black channel原則,安全性定義在實際通訊協議上。然而,通訊通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。TSN在標準乙太網路基礎上增加了確定性和即時性。在很多情況下,不同的協定共存於同一條電纜中。TSN支援在一根電纜中實現即時和「盡力而為」型TCP/IP的穩健共存。

TSN相對於傳統工業乙太網路系統之優勢

TSN不是一種新的工業乙太網路協定。它是對標準乙太網路的統一擴展,增加了即時能力。我們已闡明其優勢:硬體可用性、統一基礎設施以及與速度無關的定義。可擴展的標準化硬體和基礎設施有望降低成本並統一技術訣竅。

而1Gbps (及以上)是當今網路的邏輯進展,它不會完全取代100Mbps,但是 1Gbps支援新的應用,並且可以克服當今資料密集型應用的性能瓶頸。TSN不是一種新的工業乙太網路協定,而是對標準乙太網路增加即時能力的統一擴展。