工业互联网时代的“书同文,车同轨”和高速铁路

2018-04-25 10:16:00 作者:zhanggl 出处 : 比特网

  今天的故事和“标准”有关。

  公元前221年,秦始皇统一六国。为巩固统治,秦始皇统一度量衡,书同文,车同轨,从而开创了中国历史上第一个大一统时代。

  书同文,打破了文化的疆界,让操着不同方言的人有了交流的工具,让历史和文化得以传承,也让现代人能够读懂先人的纪录;车同轨,大大便利了各地的交通往来,促进了各地经济的交流发展。

  再看另一个故事。上世纪二三十年代,阎锡山在山西自筹资金修建同蒲铁路,北起大同,南至永济市蒲州镇以南的风陵渡,全长862公里,堪称一条贯穿山西中部的南北铁路干线。

  当时的山西经济落后,修铁路自然有利民生,然而由于同蒲铁路采用窄轨设计,导致外省火车无法进入山西。后人对于窄轨铁路的说法不一,闭关自守有之,精打细算有之,但不管如何,窄轨铁路限制了铁路货运能力以及与外省的经济往来,让山西戴上了独立王国的帽子。

  ——从两个故事能够看出,统一的“标准”对于推动文化、经济,乃至整个社会发展,功莫大焉。

  工业互联网尚缺统一标准

  如今,人类社会已经进入互联网时代,得益于在过去数十年中建立的大量互联网标准,所处世界各地的人们都可以轻松实现互联。不仅是人与人,人与物、物与物的联接也变得越来越紧密,一个“万物互联”的时代正在缓缓揭开帷幕。

  不过,要真正实现“万物互联”,人们在标准上还有很多的工作要做。物联网是实现万物互联的基础,但当前物联网发展仍旧缺乏统一的标准化规范。到2020年,预计全球将有超过500亿的终端与设备联网,如若联网设备各持一套“语言”,万物互联也不过是镜花水月。

  为实现自动化,工业是最早尝试应用物联网的领域,但如今工业控制场景中存在着多种工业以太网,标准不一,这就像“书同文、车同轨”之前的六国,或是难以与外省交通的“窄轨铁路”,随着“智能制造”趋势深化,非标准的工业以太网越来越难以满足工业场景对于易用性、互操作性和设备成本上的要求。

  同时,工业控制中要求极高的实时性,特别在运动控制中,要求响应时间在1ms以下,甚至达到几十us的量级,否则难以达到精度要求甚至出现事故。随着大数据云计算等新技术注入工业控制领域,现有的工业以太网既要保证大数据传输,又要保证实时性,已经显得力不从心。

  故而,要真正实现智能制造或者万物互联,就需要构建新的工业互联网标准规范,不仅要实现“书同文、车同轨”,还要构建一条“高速铁路”。所幸的是,这项工作已经取得了阶段性进展,这就是TSN(时间敏感网络)+ OPC UA(OPC统一架构)。

  众所周知,标准的以太网协议是以CSMA/CD技术为基础,网络中任何设备都可以随时发送数据,难以保证数据传输的实时性和确定性。TSN是一套隶属于IEEE802.1下的协议标准,其工作原理是让时间敏感的关键数据包优先传输,从而实现更快速的传输路径,达到更高的实时性和确定性。

  TSN采用的是标准以太网协议,目标是为以太网协议的第二层,即数据链路层提供一套通用的时间敏感机制,在提升数据传输实时性和确定性的同时,也为不同协议网络实现互操作性打下了基础。

  而为了真正实现不同协议网络间的互操作性,则还需要有一套通用的数据解析机制,让不同设备能够听懂相互的的“语言”,这就需要OPC UA。

  OPC是自动化行业及其他行业用于数据安全交换时的互操作性标准,它独立于平台,并确保来自多个厂商的设备之间信息的无缝传输,OPC基金会负责该标准的开发和维护。

  2008年,OPC基金会将各个OPC Classic规范的所有功能集成到一个可扩展的框架中,发布了OPC UA,一个独立于平台的面向服务的体系架构,它为整个企业的互操作性提供了必要的基础设施,可以实现设备与设备,设备和企业,以及不同厂商设备之间的交互。

  通俗来说,TSN解决了不同协议间数据传输的实时性和确定性问题,OPC UA则解决了不同厂商设备间的“语义解析”问题,TSN+OPC UA的组合为工业互联网提供了一个实时、高确定性并真正独立于设备厂商的通信网络,在带宽、安全、互操作、延迟和同步等方面带来了巨大改善。

  六大测试床促TSN+OPCUA商用

  如开头提到的例子,TSN+OPC UA标准规范的建立,其意义好比工业互联网时代的“书同文、车同轨”,并且为工业互联网修筑了一条速度远超以往的高速铁路。

  不过,传统的工业互联网已经存在多年,要建立新的标准规范并付诸商用,还需要整个生态的共同努力。

  在刚刚结束的汉诺威工业博览会上,工业互联网产业联盟(AII)、Avnu联盟、边缘计算产业联盟(ECC)、Fraunhofer FOKUS、华为、施耐德电气、和利时、美国国家仪器(NI)、贝加莱(B&R)、TTTech、思博伦通信(Spirent Communications)等超过20家国际组织和业界知名厂商,联合发布包含工业互联六大场景的TSN+OPC UA测试床,通过模拟丰富的真实智能制造场景现场演示验证TSN网络的高确定性和低时延。

  这并不是TSN测试床的次发布。2017年11月,在柏林召开的边缘计算论坛(ECF 2017)上,华为联合Fraunhofer FOKUS发布了TSN测试床1.0,双方验证了TSN IEEE 802.1协议、OPC UA Over TSN和边缘计算,测试床适配标准以太网,采用多路径/冗余路径技术,时延小于10us,抖动小于1us。

  这次,华为联合多家合作伙伴,一口气推出了六大场景的TSN+OPC UA测试床,包括:

  ·电机预测性维护网络(TSN for Predictive Maintenance,华为与AII)

  ·马达同步(Motor Synchronization,华为与NI)

  ·赛车游(Race-Car Game,华为与和利时)

  ·绘图运动控制(Plotter Motion Control,华为与Linmot)

  ·LED同步(LED Synchronization,华为与施耐德)

  ·OPC UA Over TSN(华为与贝加莱)

  以华为与和利时合作的赛车游戏测试床为例,赛车要以固定时间通过一道门,采用TSN网络可以轻松达到实时性要求,而非TSN网络则受到流量干扰,难以实现实时响应。

  在本次发布的TSN+OPC UA测试床中,华为TSN交换机提供了高可靠性和超低时延的工业控制网络,并将支持OPC UA的底层设备数据上传到端进行处理。六大场景的测试床验证了TSN网络在复杂环境情况下的高确定性和低时延性,保障工业场景下的严格同步运动控制。

  华为欧洲解决方案产品管理及营销总监罗济军博士表示:“未来工业领域将有数以百亿计的设备连接上网,传统工业以太网无法承受巨大的数据传输量,需要一种新的架构来满足高带宽、高速率和海量连接等方面诉求。未来华为将与业界更多的组织和厂商深入合作,共建工业互联网生态,推进TSN技术和标准的不断完善,真正实现TSN网络下的‘全网通’,推动制造行业数字化转型。”

  华为欧洲解决方案产品管理及营销总监罗济军博士

  未来,华为希望能够在项目环境中找到测试床的应用场景,落地到真实的工业互联网中去,最终实现商用目的。

  TSN+OPCUA,迈向工业4.0

  如今,OPC UA 逐渐成为全球最大的互操作性生态系统的首选平台,有观点认为,OPC UA 已经成为自动化市场和工业 4.0 的事实标准,加上具有实时性的TSN,两者的组合能实现从现场层、控制层、管理层直到云端的数据通讯,这将打破传统工业互联网的金字塔结构。

  换个角度看,自动化、智能化是工业4.0的目标,随着工业领域联接至网络的设备越来越多,数据量越来越大,传统的春秋战国式的工业互联网势必迎来一次重大的改造,就目前来看,TSN+OPC UA为工业4.0的真正实现带来了曙光。

  这也是TSN+OPC UA标准规范获得AII、Avnu、ECC、Fraunhofer FOKUS等重磅组织,以及华为、施耐德等巨头企业共同追捧的原因。

  万物互联时代已经揭幕,未来各种领域的互联标准势必走向标准化、统一化。本次六大场景TSN+OPC UA测试床的推出,无疑大大加速了这一过程。

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