统一规约-关乎数字化的真正实现
以下文章来源于说东道西 ，作者宋华振
尽管数字化转型的浪潮如此深入人心，但是，对于OPC UA和TSN的了解却又甚少，这难免让人质疑其可实现性，因为，如果缺乏统一的语义互操作规范，以及更为具有广泛适用的网络与通信，则数字化实际上几乎难以具有经济性与可实现性的。
制造现场网络与
通信需求的变化
图1呈现了三个不同阶段制造现场对通信的需求，首先，回到20年前，我们看工业通信技术，即，现场总线主要还是降低接线、并能够对现场进行远程诊断与配置，到了新世纪，机器也变得越来越复杂，运动控制这种时间严苛型任务变得越来越多，一方面精度要求越来越高，需要更低延时的网络来保障，还有大量伺服轴也要为机器提供更为高效的同步，无论是带宽还是延时、抖动的要求都更高。
进入了智能时代，为了进一步提高生产制造的效率，机器被合并或通过机器人实现衔接，这个时候就出现了在水平方向与垂直方向的数据连接问题，水平交互为了消除中间环节，提升效率，而垂直的通信主要为了能够从局部最优到全局最优，这就使得数据的带宽、互操作、信息建模变得更为迫切，这就需要一个能够融合语义与实时同时兼具，并能够传输各种数据类型（视频、视觉、文本、实时参数等），因此，通信任务的复杂性也是越来越高，必须要有高效的传输架构来支撑。
图1-不同阶段网络需求的变化
OPC UA在这里扮演的角色在于说相同的语言问题，而TSN要解决同声翻译的问题，OPC UA扮演三个角色，首先，它必须对已有的通信予以支持，这包括现场总线，也包括了对TCP/UDP方式的支持，其实，这个任务MQTT、DDS也是可以实现的，因此，OPC UA另一个任务，信息建模成为其被多数厂商采用的关键，除了基础的信息建模，针对行业性的信息建模如PackML、EUROMAP、ISA、AutomationML等也予以了集成，其次，在数字化集成的时候，安全（Security）也是必须予以考虑的。TSN则是一种较之以往的现场总线更突出的通信技术，它由三个部分的标准构成，IEEE802.1Q系列的标准下，包括了IEEE802.1AS/ASrev的时钟同步、数据流调度标准如IEEE802.1Qbv,Qbu IEEE802.3br,IEEE802.1Qch等数据流调度机制构成，其次，IEEE802.1Qcc则负责进行网络的配置，将需求与能力协同，而TSN相对于传统总线在于其模块化实现，不同领域可以集成自己的应用，如IEEE802.1AVB针对车载以太网，而IEC60802 IA Profile则是针对自动化领域的互操作，其结构如图2所示。
图2-TSN的标准体系
降低工程成本是关键
无论对于什么样的数字化连接，无论是M2M，即OPC基金会所说的C2C（Controller to Controller）之间的集成，也包括了B2M(Businessto Machine),也即，数据的上下行交互，而B2B则是端到端的集成（数字化设计、运营、维护系统之间的集成）。
若没有统一的规范，并非不可集成，而是要编写大量的驱动程序，这就会使得其缺乏经济性，因为如果没有统一的规范，各种平台之间如果自定义各自的协议，要么仅在局部项目上可以实现，不具有可复 制性，变成了一个个新的信息孤岛，因此，如果没有统一规范，那么，就会形成新的孤岛，这不是一种进步，而是倒退。
今天，工业互联网由各个行业的企业在构建各种不同的平台架构，但是，目前阶段大部分的这种应用场景还是一种“劳动密集型”的应用，其仍然需要大量的工程资源消耗，关键就在于缺乏统一规范的信息模型，这使得很难具有可复 制性，而没有可复 制性，其工程成本就会很高，而无法获得经济性，这会导致大量的工业互联网企业很难持续生存，借助于资本的力量，但仍然会是大部分会在未来几年消亡。
生态系统
OPCUA由超过4000家企业及机构所构成的生态系统，而其FLC也在积极的推动TSN与OPC UA的融合，以能够实现全球自产业上下游各个环节的连接，IEC60802工作组也致力于TSN的互操作网络行规规范。在汽车工业，TSN作为车载以太网要应对未来自动驾驶的高带宽，高实时与安全性要求，在5G应用联盟，TSN也被用于前传网络的连接。
1.数字化设计类：传统的数字化设计，包括CAD/CAE软件厂商提供了各种信息打包输出，模型、程序，但是，由于与现场系统如机器人、PLC、CNC等并无直接的连接，这使得作业任务只能通过人工方式输入到机器，并且无法上行数据，那么就无法构建数字孪生的实际运行系统，或者仅能依靠专用的某家企业的接口，这使得用户无法获得最大的自由选择。
图3-OPC UA over TSN构建全新生态系统
如果可以通过OPC UA来定义数字化设计与运行系统之间的接口，对于用户来说动态的仿真及工艺下发即可实现。
2.芯片厂商：大量的芯片厂商要为TSN提供芯片实现，像Intel、XILINX、NXP、AD等均提供了针对TSN开发所需的芯片解决方案，NXP还可以提供车规级的TSN芯片，这样才能让这个芯片的成本越来越低，据说Intel会在其未来芯片中直接提供TSN的支持能力，这将使得实现变得更为简单。
3.技术提供商，像TTTech、NetLogic、Broadcom等公司也为TSN的实现提供了IP解决方案，这些可以让用户快速开发硬件和配置工具。
4.终端与桥节点：像贝加莱、三菱等自动化厂商会提供PLC、伺服驱动系统等终端节点产品，以及MOXA、赫斯曼等提供的TSN交换机设备使得其应用架构可以实现。
包括大学、标准化组织、测试验证机构、终端用户、机器制造商，共同构成的生态，有助于OPC UA over TSN的快速落地，推进数字互联与边缘智能应用。
OPCUA over TSN架构
图4-OPC UA over TSN的架构
我们可以看到，OPC UA over TSN是一种模块化的网络组合，有以下几种场景：
（1）对于数据采集型任务，可以采用基本的OPCUA，通过标准以太网即可。
（2）对于需要多个主站参与的数据交互，考虑到数据带宽需求，以及网络数据负载，可以采用OPC UA Pub/Sub机制在M2M和M2B之间进行数据交互。
（3）对于实时性要求较高的采样与控制：采用OPC UA over TSN的架构来实现。
之所以采用OPC UA over TSN的非常重要应用场景在于：
（1）实时的质量迭代任务：对于高速采集并进行整体优化，又需要快速下发给执行侧去执行的场景，例如快速的视觉缺陷检测，对下一个产品进行高速的位置调整的情况，而不是趋势性调整，要求极高的响应能力。
（2）上下行数据系统的动态交互场景：在这个场景中，由于数据带宽要求较高，异构数据的传输问题，因此，也同样需要OPC UA over TSN来简化网络连接的架构，避免由于拓扑、交互机制等造成的网络带宽负载过高，以及数据访问的方法（程序的调用）造成的复杂性。
（3）云化或边缘控制架构也需要OPCUA TSN的支撑
其实现在有很多针对边缘控制，乃至云化的PLC提法，如果有OPC UA TSN其实也是可以实现的，因为，现场的分布式I/O站可以采集数据，并通过OPC UA over TSN的交换机网络，TSN提供实时传输能力，而OPC UA则提供Pub/Sub机制的数据分发，那么，这个在理论上是完全可以实现的。
（4）数字孪生的场景：其实，目前讲数字孪生很多，但是，真正要去实现还是比较难的，除非有全系列软硬件架构，而这是客户所不愿意看到的，因此，一定是基于开放的规约，让不同的数字化设计、运行、管理软件形成统一的连接能力，发挥各自的优势，才是最佳局面，而这必然要依托于OPC UA及TSN的架构才能真正实现。
