OPC UA、TSN和传统工业以太网系统未来发展趋势

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。