探討:應需而變的工業通訊技術

  點擊數:179  發布時間:2020-05-28 10:05
隨著工業控制系統網絡化、數字化發展進程的不斷深入,其對于工業通訊技術的需求也日益提升,從而推動了現場總線、工業以太網、工業無線等工業通訊技術的快速發展。在智能制造背景下,未來基于智能機器柔性生產將實現產線靈活重構,工廠的設計和內部物流將會更加靈活、高效和自動化,這就需要合適的通訊架構與全面的互聯互通通信。而這無疑將對于工業通訊技術提出新的需求, OPC UA、TSN、5G……,工業通訊網絡的未來將會走向何方?本期專題特邀請多位來自研究院所和企業的專家共同探討。
關鍵詞:TSN技術 ,智能制造 ,工業控制系統

隨著工業控制系統網絡化、數字化發展進程的不斷深入,其對于工業通訊技術的需求也日益提升,從而推動了現場總線、工業以太網、工業無線等工業通訊技術的快速發展。在智能制造背景下,未來基于智能機器柔性生產將實現產線靈活重構,工廠的設計和內部物流將會更加靈活、高效和自動化,這就需要合適的通訊架構與全面的互聯互通通信。而這無疑將對于工業通訊技術提出新的需求, OPC UA、TSN、5G……,工業通訊網絡的未來將會走向何方?本期專題特邀請多位來自研究院所和企業的專家共同探討。

彭瑜:以太網延伸到現場層的技術進展和困惑

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上海工業自動化儀表研究院有限公司教授級高級工程師、PLCopen中國組織名譽主席彭瑜教授

毫無疑問,現場層在工業通信中最為特殊,連接的設備數量最多,連接的信號形形色色。從工業數字通信發展的歷史看,現場總線從上世紀70年代開始研究,到大規模投入應用幾乎花了二十年的時間,形成的局面卻是幾十種互不兼容的現場總線和工業以太網在爭奪市場,列入國際標準IEC 61158中就有二十余種。于是為了現場設備集成和互操作還需要專門開發像FDT、EDDL這樣的規范,使控制系統在需要集成多種現場總線/工業以太網時能夠支持相互間的數據交換。對于最終用戶來說只有接受這樣的現實,沒有別的選擇。

2018年OPC基金會的領導層高調宣稱,OPC UA將在Pub/Sub機制的基礎上開發延伸至現場層,把設備I/O、運動控制、安全等要求的通信全部納入,成為一種從云到現場通信的互操作平臺(見下圖)。這招致全球工業界一片叫好聲。在基金會公布的路線圖中,2019~2020年重點的任務是:解決OPC UA通信的確定性(將UA的Pub/Sub的傳輸映射到TSN中)以及解決流程工業和工廠自動化要求的現場通信。為此還專門成立了現場通信指導委員會(Field Level Communication Steering,FLC),參加委員會的包括各主要工業自動化的廠商。

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實際的進展如何呢?在2019年將近年底的時候,德國一本專業的工業通信雜志刊登了曾擔任EtherCAT技術開發組織執行主任17年的Martin Rostan先生撰寫的文章,詰問“現場總線的戰爭結束了嗎?”他指出,到目前為止OPC UA只能支持控制器之間的通信,從控制器到現場的通信還要依賴現場總線/工業以太網。倍福和庫卡一直持這樣的立場,西門子、羅克韋爾自動化和三菱電機自動化也主張相同的路徑。他絕對不能想象這些公司會把他們的系統架構倒置,把他們的工業以太網技術PROFINET、EtherNet/IP和CC-Link IE作為犧牲放置在FLC的祭壇上。他還說,OPC TSN的方法基于7個IEEE 802.1的標準,由此又產生了7個附加的標準,僅僅IEEE 802.1Q這個標準就有2000頁。如果OPC UA延伸到現場通信,那么將來所有的有關現場的產品在測試時都要符合這7個標準。相比起來,現在的現場總線的標準要精益的多。言下之意是即使在技術上可行,但測試成本居高不下,產品也很難在市場上推廣。

我們知道把以太網單對雙絞線電纜延伸到現場層始于2011年汽車工業的推動。接著在流程行業中,在幾個最終用戶組織的催促鼓動下,由若干個解決方案供應商組成的小組開始了技術研究,目標是研發一種以太網先進物理層,既能適用于所有工業通信協議,又可解決長距離傳送,并可用于化工、石化等工業的易爆易燃的危險區。經過5年的研究證實了這一解決方案的可行性。接著在2018年,在FieldComm組織聯合ODVA、PI等組織的推動下,西門子、ABB、羅克韋爾自動化、橫河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些儀表供應商和其他相關的廠商,組織了一個將以太網用于現場的計劃,推動了制定工業級的基于IEEE以太網標準的解決方案。其首要目的是將現場的各類傳感器/執行器及各種現場儀表和儀表裝置與基于IP的互聯網相聯接。目前進度是2019年IEEE標準委員會已經正式批準,接下來的工作重心轉移到IEC,要在2020年和2021年完成在危險區防護方法等標準和一致性測試標準,預計在2022年即可投入使用。實際上德國P+F等公司已經成功開發了相應的樣機和系統,就等相關的標準正式發布和進行相關的測試。經過幾年時間構筑這一技術的生態系統正在形成,囊括了從標準、網絡部署的電纜和接插件,到現場設備的試制到測試規范等,最終到在各行各業中應用,所有有關的項目都在緊鑼密鼓地進行中。

上述兩項與現場層通信相關的重要技術,在OSI 7層模型中后者是物理層,前者為應用層,都是為了適應智能制造、工業互聯網的急迫需求在迅速發展中。不過從工作的進展和有效性來說,OPC UA over TSN延伸到現場顯然還差火候,還需要做許多的工作。特別是如果不能找到技術的可行性和未來相關產品的經濟性之間的平衡,其市場前景還是難以預料的。

戴文斌:共同推動全新的標準網絡構架

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上海交通大學副教授戴文斌

通訊是生產性企業在向數字化轉型、網絡化協同的過程中非常重要的一環。那很多人可能有這樣的疑問:未來的工業通訊網絡是什么樣的形態?有哪些特征?我們怎么去實現它?我們就一一來聊聊這幾個問題。

首先,我們暢想一下未來的工業通訊網絡到底是個什么形態。在工業4.0的藍圖中,以工業物理系統(Industrial Cyber-PhysicalSystems)為核心的未來工業系統中設備與設備、設備與系統、系統與系統間都是以無線的形式連接在一起,而目前絕大多數的工業系統中都很難發現無線的蹤影。究其原因,主要是目前所有的無線通訊技術仍然無法滿足控制對實時性與可靠性的要求,雖然5G、Wi-Fi、WirelessHART等協議在工業已經得到了應用,但仍以監控系統數據交互以及視頻信號傳輸為主。即使5G主要面向低延時與高可靠的應用場景,但工業系統所遵從的最差情況與IT系統中廣泛使用的最好情況或者平均情況還是存在很大的距離,5G目前還是無法應用在實時控制中,在實時性與可靠性上與實時控制,特別是運動控制的需求還有一定的距離。因此,目前的無線技術仍然無法取代工業總線技術,以太網為基礎的工業總線,甚至在遺留系統中有相當一大部分通訊仍然依仗基于RS485的總線,該總線在未來很長的一段時間內仍然將是工業總線通訊的主力軍。而在監控層以上的工業通訊將逐步出現有線與無線并存的局面,最終無線方案將占上風。

假設未來無線技術能夠滿足工業的要求,那新時代的工業通訊網絡又有哪些特征呢?其一,是即插即用的網絡節點能夠大幅度提升系統的靈活性。想象一下,未來工廠中所有節點都能夠生產訂單自組織形成滿足任務需求的靈活網絡,當生產完成時又能隨時退出這個網絡而加入新的網絡。真正的智能工廠是可以根據用戶自

己的選擇來動態重構生產流程以滿足大規模定制化需求而無需人工干預,而不僅僅是在有限的集合中選擇自己的偏好。下一代工業總線標準TSN已經在這方面邁出了堅實的一步,在實現微秒級時延以及納秒級抖動的基礎上,同時也定義了時間同步、數據調度、負載整形等多種優化機制。其二,是保證數據的安全,現有的工業通訊中由于實時性的限制以及不連接互聯網的情況下,數據安全的問題沒有曝露。在工業互聯網的推動下,當這些系統連接到公網后,數據安全問題就會集中爆發。因此,未來的工業通訊網絡應該在保證實時性與可靠性的基礎上,也能對數據進行加密與監控,保證數據的隱私。

最后,我們要如何去實現這樣的未來工業網絡?顯然,以目前工業互聯網參考構架中仍然沿用TCP/UDP over IP的IT網絡結構是很難實現這些特性的。因此,期待國內各界能夠共同推動全新的標準網絡構架,綜合考慮實時性、安全性、可靠性以及成本因素。工業互聯網任重道遠,腳踏實地走好每一步,認認真真解決每一個實際問題,少一點概念炒作,多一點落地方案,把卡住的脖子套出來。

劉丹:工業通信的未來發展趨勢

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機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所副總工程師、教授級高工劉丹

隨著信息技術的快速發展,工業界由原來比較封閉的自動化/運營技術(Operation Technology,OT)領域,逐漸向信息技術(Information Technology,IT)領域開放,OT和IT融合發展是工業通信必然的發展趨勢。

工業通信技術的發展主要經歷了現場總線、工業以太網和工業無線網絡,其發展呈現現場層和控制層專用網絡向管理層通用網絡延伸,有線到無線補充,以及新使能技術(如TSN、5G)不斷融合應用的新趨勢。目前全球范圍內,工廠中新增工業自動化控制系統主要基于工業以太網,新現場總線設備市場增長緩慢或下降,可預見未來工業以太網將替代傳統現場總線。由于時間敏感網(TSN)在傳統以太網上增加可提供確定性服務的各種功能和性能,滿足了工業應用對實時、硬實時性能需求而引起廣泛關注,現有工業以太網紛紛與之融合,未來TSN可將作為工廠底層網絡的統一標準。另外,在流程工業由于對物理層有總線供電、本質安全等特殊要求,現在國內外正在開展可用于流程工業的二線制以太網(SPE)或高級物理層(APL)技術研究和應用。5G移動通信因其超低延時、超高帶寬、廣連接而成為當前工業通信最熱點技術之一。目前,5G已在視頻檢測、云化機器人、智能物流等工業應用方面得到成功應用案例,但5G在底層自動化控制、機器與機器(M2M)通信等實時通信方面的應用還處于研究試驗階段。

智能制造的基本功能要素之一是實現工廠業務管理、制造執行和自動控制系統間的縱向集成,這就要求工業通信不僅僅是數據的傳輸,更是基于語義的互操作。OPC UA是新一代的基于語義和面向服務架構(SOA)的OPC規范,將傳統OPC的所有功能集成到一個可擴展框架,并實現了跨平臺支持。鑒于其強大的建模能力,OPA UA天然適合用于工廠IT系統和OT系統的集成與互聯互通。

智能傳感器、云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術作為賦能技術,必將大幅提升工業自動化控制系統和工業通信網絡的功能性能并促使其向智能化加速發展。當引入了新一代信息技術,從大系統大網絡角度,工業自動化控制系統架構將演變成具有泛在感知、精準控制、優化反饋、智能決策等智能化功能的智能工業系統和工業網絡,實質上也是向工業互聯網的演變。這些使能技術加速了制造模式的創新和智能制造系統的演進。

宋華振:從工業生產需求來看通信的發展趨勢

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貝加萊工業自動化(中國)有限公司技術傳播經理宋華振

工業生產早期是以人力/畜力/水力等方式進行傳動,而控制也基本上都是人工的,感知和控制都是由人的大腦來完成的。維納控制論和香農信息論奠定了現代控制與通信的基礎,通過通信的“周期性”傳輸將物理對象的狀態反饋給系統,然后去不斷調整控制策略,這構成了整個現代控制的基礎,那么通信就成了關鍵一環。隨即在流程工業出現了計算機網絡,但是這個網絡主要在車間層而不是現場,現場層還是依賴于線纜的連接傳輸物理信號。而到了20世紀70年代有了總線技術,首先它是為了降低接線和系統配置診斷的工程成本,這個階段控制任務還是以主站為主。到了現場總線階段則可以實現分布式控制,從站具有了很強的本地執行能力,然后進行統一協調。到了實時以太網階段,由于時間粒度已經降低到了微秒級,那么協同控制,即主站和主站間、主站/從站間的通信瓶頸被消除了,網絡協同控制才能成為可能。這個中間總線主要是在物理層和數據鏈路層,各家總線為了軟件開發方便,也定義了各自的應用層標準,Microsoft也針對Windows系統與現場連接開發了OPC,包括流程領域FDT/DTM的規范,都是為了實現互操作層面的標準。

工業總線在ISO/OSI模型中通常還是由三層或五層結構來實現,以考慮實時性問題。而到了近期,隨著智能制造、物聯網發展的需求,又需要解決車間、MES/ERP、數字孿生、人工智能、云平臺等與現場連接的通信難題,即周期性和非周期性能不能在一個網絡里傳輸,又需要解決語義互操作的跨平臺交互問題。這個時候,人們又回到當時以太網初期階段,是否可以讓標準以太網有實時性呢?因此開始了TSN技術的開發。這一技術旨在借助于IT的廣泛性降低網絡實現成本,并由獨立于任何廠商的IEEE/IEC來發展產業共同的通信規范與標準。在應用層,原有的OPC只能針對Windows無法滿足要求,于是推出了統一架構OPC UA,OPC UA不僅解決IT與OT的通信連接,還解決信息建模,這就為數字孿生、人工智能提供了模型,便于更為快速的實現優化應用,降低因此而需的工程集成成本。因此,工業通信的發展是一個不斷融合、簡化,并以用戶需求為導向的過程,滿足工業更為簡單的連接、更便利的工程集成、更為開放的訴求。

張晗宜:淺談TSN(時間敏感網絡)的應用趨勢

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百通赫思曼中國區高級技術經理張晗宜

機器智能技術的進步,也推動了自動化領域的進步,工業自動化目前正在從工業3.0升級到工業4.0,升級轉型的內容包括智能設備的部署,高級分析軟件和機器學習的結合使生產設施更加智能化等。同時整個工業系統的框架也從“自動化金字塔結構”過渡到“自動化柱狀結構”,如下圖所示:

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在新的柱狀架構中,控制層將消失:部分控制功能下移至現場級,以分布式控制的方式實現例如運動控制或者安全控制等。另外部分控制功能上移到管理層,通過例如PLC虛擬化的方式實現集中式控制。

而位于現場層和管理層之間的連接層為底層和上層的互聯互通,提供高帶寬、低延遲、低抖動的網絡傳輸,從而實現現場傳感器到上層甚至到云端的應用。

TSN對不同種類數據的“調度”處理行為類似高速公路,例如應急車道是預留出來給“高優先級”的“應急車輛”通行的,因此哪怕其他車道上流量較高,應急車輛的通行始終不會受到影響。TSN會為不同優先級的數據(或者是不同種類的應用數據,即根據不同應用劃分優先級)分配網絡“通道”,從而保證每種不同應用數據對延遲、抖動等網絡通信傳輸的要求都能夠得到滿足?;赥SN網絡的這種特性能夠帶來的優勢之一,即可以將原先各自獨立的應用系統整合到一張網里,既可以節約企業對網絡基礎架構投資的成本,也可以實現在同一個自動化工廠內所有應用的互聯互通。因此在IIoT和工業互聯網逐步開始部署的今天,TSN可以作為承載整個自動化車間網絡的信息高速公路。

TSN除在傳統自動化工廠內的應用之外,在當今另一個熱點技術行業也有著極大應用空間——無人駕駛。

如今的汽車內部裝備了大量車載電子控制單元和數字傳感器,甚至裝配了GPU顯卡來實時運算處理攝像頭傳回的畫面數據從而實現自動駕駛,新技術的革新推動了對網絡物理連接端口以及高質量網絡通信的更大需求。

傳統的汽車內部有包括CAN總線,FlexRay等不同控制協議,這些協議之間并不兼容,因此物理上需要部署各自獨立的網絡。其劣勢在于物理上獨立部署多套網絡需要單獨布線,從而增加了線纜的成本和重量,而線纜重量的增加也直接影響到汽車的燃油經濟性,其次這些傳統協議網絡的帶寬相對于以太網都非常小,無法滿足當今汽車無人駕駛系統對帶寬的需求。

TSN技術將為當今的汽車行業帶來革命性的技術進步——將原本非以太網且互不兼容的車內總線協議替換成基于TSN的標準以太網協議。以太網的標準化特性使得從車內各傳感器之間到云端服務器可以實現互聯互通,同時只需要物理上部署一套網絡,既節約了線纜的成本也減輕了汽車的重量,TSN可以為車內控制系統提供低延時、低抖動、高帶寬的網絡傳輸,相信在不久的將來TSN會在汽車行業和無人駕駛領域有廣泛的部署和應用。

摘自《自動化博覽》2020年5月刊

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