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彭瑜、戴文斌、刘丹、宋华振、张晗宜畅谈 “工业通讯” 未来发展

2020-07-24《自动化博览》

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OPC UA、TSN、5G……工业通讯网络的未来将会走向何方?多位来自研究院所和企业的专家就此进行了探讨。

    随着工业控制系统网络化、数字化发展进程的不断深入,其对于工业通讯技术的需求也日益提升,从而推动了现场总线、工业以太网、工业无线等工业通讯技术的快速发展。在智能制造背景下,未来基于智能机器柔性生产将实现产线灵活重构,工厂的设计和内部物流将会更加灵活、高效和自动化,这就需要合适的通讯架构与全面的互联互通通信。而这无疑将对于工业通讯技术提出新的需求, OPC UA、TSN、5G……,工业通讯网络的未来将会走向何方?本期专题特邀请多位来自研究院所和企业的专家共同探讨。

彭瑜:以太网延伸到现场层的技术进展和困惑

上海工业自动化仪表研究院有限公司教授级高级工程师、PLCopen中国组织名誉主席彭瑜教授

上海工业自动化仪表研究院有限公司教授级高级工程师、PLCopen中国组织名誉主席彭瑜教授

    毫无疑问,现场层在工业通信中最为特殊,连接的设备数量最多,连接的信号形形色色。从工业数字通信发展的历史看,现场总线从上世纪70年代开始研究,到大规模投入应用几乎花了二十年的时间,形成的局面却是几十种互不兼容的现场总线和工业以太网在争夺市场,列入国际标准IEC 61158中就有二十余种。于是为了现场设备集成和互操作还需要专门开发像FDT、EDDL这样的规范,使控制系统在需要集成多种现场总线/工业以太网时能够支持相互间的数据交换。对于最终用户来说只有接受这样的现实,没有别的选择。

    2018年OPC基金会的领导层高调宣称,OPC UA将在Pub/Sub机制的基础上开发延伸至现场层,把设备I/O、运动控制、安全等要求的通信全部纳入,成为一种从云到现场通信的互操作平台(见下图)。这招致全球工业界一片叫好声。在基金会公布的路线图中,2019~2020年重点的任务是:解决OPC UA通信的确定性(将UA的Pub/Sub的传输映射到TSN中)以及解决流程工业和工厂自动化要求的现场通信。为此还专门成立了现场通信指导委员会(Field Level Communication Steering,FLC),参加委员会的包括各主要工业自动化的厂商。

OPC UA

    实际的进展如何呢?在2019年将近年底的时候,德国一本专业的工业通信杂志刊登了曾担任EtherCAT技术开发组织执行主任17年的Martin Rostan先生撰写的文章,诘问“现场总线的战争结束了吗?”他指出,到目前为止OPC UA只能支持控制器之间的通信,从控制器到现场的通信还要依赖现场总线/工业以太网。倍福和库卡一直持这样的立场,西门子、罗克韦尔自动化和三菱电机自动化也主张相同的路径。他绝对不能想象这些公司会把他们的系统架构倒置,把他们的工业以太网技术PROFINET、EtherNet/IP和CC-Link IE作为牺牲放置在FLC的祭坛上。他还说,OPC TSN的方法基于7个IEEE 802.1的标准,由此又产生了7个附加的标准,仅仅IEEE 802.1Q这个标准就有2000页。如果OPC UA延伸到现场通信,那么将来所有的有关现场的产品在测试时都要符合这7个标准。相比起来,现在的现场总线的标准要精益的多。言下之意是即使在技术上可行,但测试成本居高不下,产品也很难在市场上推广。

    我们知道把以太网单对双绞线电缆延伸到现场层始于2011年汽车工业的推动。接着在流程行业中,在几个最终用户组织的催促鼓动下,由若干个解决方案供应商组成的小组开始了技术研究,目标是研发一种以太网先进物理层,既能适用于所有工业通信协议,又可解决长距离传送,并可用于化工、石化等工业的易爆易燃的危险区。经过5年的研究证实了这一解决方案的可行性。接着在2018年,在FieldComm组织联合ODVA、PI等组织的推动下,西门子、ABB、罗克韦尔自动化、横河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些仪表供应商和其他相关的厂商,组织了一个将以太网用于现场的计划,推动了制定工业级的基于IEEE以太网标准的解决方案。其首要目的是将现场的各类传感器/执行器及各种现场仪表和仪表装置与基于IP的互联网相联接。目前进度是2019年IEEE标准委员会已经正式批准,接下来的工作重心转移到IEC,要在2020年和2021年完成在危险区防护方法等标准和一致性测试标准,预计在2022年即可投入使用。实际上德国P+F等公司已经成功开发了相应的样机和系统,就等相关的标准正式发布和进行相关的测试。经过几年时间构筑这一技术的生态系统正在形成,囊括了从标准、网络部署的电缆和接插件,到现场设备的试制到测试规范等,最终到在各行各业中应用,所有有关的项目都在紧锣密鼓地进行中。

    上述两项与现场层通信相关的重要技术,在OSI 7层模型中后者是物理层,前者为应用层,都是为了适应智能制造、工业互联网的急迫需求在迅速发展中。不过从工作的进展和有效性来说,OPC UA over TSN延伸到现场显然还差火候,还需要做许多的工作。特别是如果不能找到技术的可行性和未来相关产品的经济性之间的平衡,其市场前景还是难以预料的。

戴文斌:共同推动全新的标准网络构架

上海交通大学副教授戴文斌

上海交通大学副教授戴文斌

    通讯是生产性企业在向数字化转型、网络化协同的过程中非常重要的一环。那很多人可能有这样的疑问:未来的工业通讯网络是什么样的形态?有哪些特征?我们怎么去实现它?我们就一一来聊聊这几个问题。

    首先,我们畅想一下未来的工业通讯网络到底是个什么形态。在工业4.0的蓝图中,以工业物理系统(Industrial Cyber-PhysicalSystems)为核心的未来工业系统中设备与设备、设备与系统、系统与系统间都是以无线的形式连接在一起,而目前绝大多数的工业系统中都很难发现无线的踪影。究其原因,主要是目前所有的无线通讯技术仍然无法满足控制对实时性与可靠性的要求,虽然5G、Wi-Fi、WirelessHART等协议在工业已经得到了应用,但仍以监控系统数据交互以及视频信号传输为主。即使5G主要面向低延时与高可靠的应用场景,但工业系统所遵从的最差情况与IT系统中广泛使用的最好情况或者平均情况还是存在很大的距离,5G目前还是无法应用在实时控制中,在实时性与可靠性上与实时控制,特别是运动控制的需求还有一定的距离。因此,目前的无线技术仍然无法取代工业总线技术,以太网为基础的工业总线,甚至在遗留系统中有相当一大部分通讯仍然依仗基于RS485的总线,该总线在未来很长的一段时间内仍然将是工业总线通讯的主力军。而在监控层以上的工业通讯将逐步出现有线与无线并存的局面,最终无线方案将占上风。

    假设未来无线技术能够满足工业的要求,那新时代的工业通讯网络又有哪些特征呢?其一,是即插即用的网络节点能够大幅度提升系统的灵活性。想象一下,未来工厂中所有节点都能够生产订单自组织形成满足任务需求的灵活网络,当生产完成时又能随时退出这个网络而加入新的网络。真正的智能工厂是可以根据用户自己的选择来动态重构生产流程以满足大规模定制化需求而无需人工干预,而不仅仅是在有限的集合中选择自己的偏好。下一代工业总线标准TSN已经在这方面迈出了坚实的一步,在实现微秒级时延以及纳秒级抖动的基础上,同时也定义了时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制。其二,是保证数据的安全,现有的工业通讯中由于实时性的限制以及不连接互联网的情况下,数据安全的问题没有曝露。在工业互联网的推动下,当这些系统连接到公网后,数据安全问题就会集中爆发。因此,未来的工业通讯网络应该在保证实时性与可靠性的基础上,也能对数据进行加密与监控,保证数据的隐私。

    最后,我们要如何去实现这样的未来工业网络?显然,以目前工业互联网参考构架中仍然沿用TCP/UDP over IP的IT网络结构是很难实现这些特性的。因此,期待国内各界能够共同推动全新的标准网络构架,综合考虑实时性、安全性、可靠性以及成本因素。工业互联网任重道远,脚踏实地走好每一步,认认真真解决每一个实际问题,少一点概念炒作,多一点落地方案,把卡住的脖子套出来。

刘丹:工业通信的未来发展趋势

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所副总工程师、教授级高工刘丹

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所副总工程师、教授级高工刘丹

    随着信息技术的快速发展,工业界由原来比较封闭的自动化/运营技术(Operation Technology,OT)领域,逐渐向信息技术(Information Technology,IT)领域开放,OT和IT融合发展是工业通信必然的发展趋势。

    工业通信技术的发展主要经历了现场总线、工业以太网和工业无线网络,其发展呈现现场层和控制层专用网络向管理层通用网络延伸,有线到无线补充,以及新使能技术(如TSN、5G)不断融合应用的新趋势。目前全球范围内,工厂中新增工业自动化控制系统主要基于工业以太网,新现场总线设备市场增长缓慢或下降,可预见未来工业以太网将替代传统现场总线。由于时间敏感网(TSN)在传统以太网上增加可提供确定性服务的各种功能和性能,满足了工业应用对实时、硬实时性能需求而引起广泛关注,现有工业以太网纷纷与之融合,未来TSN可将作为工厂底层网络的统一标准。另外,在流程工业由于对物理层有总线供电、本质安全等特殊要求,现在国内外正在开展可用于流程工业的二线制以太网(SPE)或高级物理层(APL)技术研究和应用。5G移动通信因其超低延时、超高带宽、广连接而成为当前工业通信最热点技术之一。目前,5G已在视频检测、云化机器人、智能物流等工业应用方面得到成功应用案例,但5G在底层自动化控制、机器与机器(M2M)通信等实时通信方面的应用还处于研究试验阶段。

    智能制造的基本功能要素之一是实现工厂业务管理、制造执行和自动控制系统间的纵向集成,这就要求工业通信不仅仅是数据的传输,更是基于语义的互操作。OPC UA是新一代的基于语义和面向服务架构(SOA)的OPC规范,将传统OPC的所有功能集成到一个可扩展框架,并实现了跨平台支持。鉴于其强大的建模能力,OPA UA天然适合用于工厂IT系统和OT系统的集成与互联互通。

    智能传感器、云计算、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术作为赋能技术,必将大幅提升工业自动化控制系统和工业通信网络的功能性能并促使其向智能化加速发展。当引入了新一代信息技术,从大系统大网络角度,工业自动化控制系统架构将演变成具有泛在感知、精准控制、优化反馈、智能决策等智能化功能的智能工业系统和工业网络,实质上也是向工业互联网的演变。这些使能技术加速了制造模式的创新和智能制造系统的演进。

宋华振:从工业生产需求来看通信的发展趋势

   贝加莱工业自动化(中国)有限公司技术传播经理宋华振贝加莱工业自动化(中国)有限公司技术传播经理宋华振   贝加莱工业自动化(中国)有限公司技术传播经理宋华振

贝加莱工业自动化(中国)有限公司技术传播经理宋华振

    工业生产早期是以人力/畜力/水力等方式进行传动,而控制也基本上都是人工的,感知和控制都是由人的大脑来完成的。维纳控制论和香农信息论奠定了现代控制与通信的基础,通过通信的“周期性”传输将物理对象的状态反馈给系统,然后去不断调整控制策略,这构成了整个现代控制的基础,那么通信就成了关键一环。随即在流程工业出现了计算机网络,但是这个网络主要在车间层而不是现场,现场层还是依赖于线缆的连接传输物理信号。而到了20世纪70年代有了总线技术,首先它是为了降低接线和系统配置诊断的工程成本,这个阶段控制任务还是以主站为主。到了现场总线阶段则可以实现分布式控制,从站具有了很强的本地执行能力,然后进行统一协调。到了实时以太网阶段,由于时间粒度已经降低到了微秒级,那么协同控制,即主站和主站间、主站/从站间的通信瓶颈被消除了,网络协同控制才能成为可能。这个中间总线主要是在物理层和数据链路层,各家总线为了软件开发方便,也定义了各自的应用层标准,Microsoft也针对Windows系统与现场连接开发了OPC,包括流程领域FDT/DTM的规范,都是为了实现互操作层面的标准。

    工业总线在ISO/OSI模型中通常还是由三层或五层结构来实现,以考虑实时性问题。而到了近期,随着智能制造、物联网发展的需求,又需要解决车间、MES/ERP、数字孪生、人工智能、云平台等与现场连接的通信难题,即周期性和非周期性能不能在一个网络里传输,又需要解决语义互操作的跨平台交互问题。这个时候,人们又回到当时以太网初期阶段,是否可以让标准以太网有实时性呢?因此开始了TSN技术的开发。这一技术旨在借助于IT的广泛性降低网络实现成本,并由独立于任何厂商的IEEE/IEC来发展产业共同的通信规范与标准。在应用层,原有的OPC只能针对Windows无法满足要求,于是推出了统一架构OPC UA,OPC UA不仅解决IT与OT的通信连接,还解决信息建模,这就为数字孪生、人工智能提供了模型,便于更为快速的实现优化应用,降低因此而需的工程集成成本。因此,工业通信的发展是一个不断融合、简化,并以用户需求为导向的过程,满足工业更为简单的连接、更便利的工程集成、更为开放的诉求。

张晗宜:浅谈TSN(时间敏感网络)的应用趋势

百通赫思曼中国区高级技术经理张晗宜

百通赫思曼中国区高级技术经理张晗宜

    机器智能技术的进步,也推动了自动化领域的进步,工业自动化目前正在从工业3.0升级到工业4.0,升级转型的内容包括智能设备的部署,高级分析软件和机器学习的结合使生产设施更加智能化等。同时整个工业系统的框架也从“自动化金字塔结构”过渡到“自动化柱状结构”,如下图所示:

整个工业系统的框架也从“自动化金字塔结构”过渡到“自动化柱状结构”

    在新的柱状架构中,控制层将消失:部分控制功能下移至现场级,以分布式控制的方式实现例如运动控制或者安全控制等。另外部分控制功能上移到管理层,通过例如PLC虚拟化的方式实现集中式控制。

    而位于现场层和管理层之间的连接层为底层和上层的互联互通,提供高带宽、低延迟、低抖动的网络传输,从而实现现场传感器到上层甚至到云端的应用。

    TSN对不同种类数据的“调度”处理行为类似高速公路,例如应急车道是预留出来给“高优先级”的“应急车辆”通行的,因此哪怕其他车道上流量较高,应急车辆的通行始终不会受到影响。TSN会为不同优先级的数据(或者是不同种类的应用数据,即根据不同应用划分优先级)分配网络“通道”,从而保证每种不同应用数据对延迟、抖动等网络通信传输的要求都能够得到满足。基于TSN网络的这种特性能够带来的优势之一,即可以将原先各自独立的应用系统整合到一张网里,既可以节约企业对网络基础架构投资的成本,也可以实现在同一个自动化工厂内所有应用的互联互通。因此在IIoT和工业互联网逐步开始部署的今天,TSN可以作为承载整个自动化车间网络的信息高速公路。

    TSN除在传统自动化工厂内的应用之外,在当今另一个热点技术行业也有着极大应用空间——无人驾驶。

    如今的汽车内部装备了大量车载电子控制单元和数字传感器,甚至装配了GPU显卡来实时运算处理摄像头传回的画面数据从而实现自动驾驶,新技术的革新推动了对网络物理连接端口以及高质量网络通信的更大需求。

    传统的汽车内部有包括CAN总线,FlexRay等不同控制协议,这些协议之间并不兼容,因此物理上需要部署各自独立的网络。其劣势在于物理上独立部署多套网络需要单独布线,从而增加了线缆的成本和重量,而线缆重量的增加也直接影响到汽车的燃油经济性,其次这些传统协议网络的带宽相对于以太网都非常小,无法满足当今汽车无人驾驶系统对带宽的需求。

    TSN技术将为当今的汽车行业带来革命性的技术进步——将原本非以太网且互不兼容的车内总线协议替换成基于TSN的标准以太网协议。以太网的标准化特性使得从车内各传感器之间到云端服务器可以实现互联互通,同时只需要物理上部署一套网络,既节约了线缆的成本也减轻了汽车的重量,TSN可以为车内控制系统提供低延时、低抖动、高带宽的网络传输,相信在不久的将来TSN会在汽车行业和无人驾驶领域有广泛的部署和应用。

    摘自《自动化博览》2020年5月刊

责任编辑:杨培
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