事實(shí)上，越來越多的場景都在探討智能制造，無論是傳統(tǒng)的OT廠商還是ICT廠商似乎都對(duì)此寄予厚望，巨大的商業(yè)利益帶來了巨大的投資熱潮，然而，今天，我們卻似乎沒有太多的聲音在探討OPC UA與TSN，這也是讓我比較困惑的—似乎OPC UA并未受到足夠的重視，也與業(yè)界的資深專家探討此問題，為什么大家都不聚焦OPC UA卻又如此熱衷智能制造的討論？

最近一直也在研究TSN技術(shù)，包括也與彭瑜老先生一起在微信里進(jìn)行了技術(shù)交流，貝加萊在剛剛結(jié)束的SPS上推出了OPC UA與TSN融合的演示系統(tǒng)，29日參加華為邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟大會(huì)，發(fā)現(xiàn)華為已經(jīng)在架構(gòu)基于TSN的邊緣計(jì)算互聯(lián)方案，這也使得我對(duì)OPC UA TSN更多的認(rèn)識(shí)，實(shí)際上我知道很多人還不大了解甚至沒有聽說過TSN技術(shù)，而我們期待它已經(jīng)很久了。

但是，此次我倒不想先講技術(shù)，而先來分析其意義，這樣，我們才能更愿意談?wù)撨@項(xiàng)技術(shù)。如果你不知道它的意義和價(jià)值，你就很難關(guān)注它。

一、OPC UA的價(jià)值超出我們的想象

實(shí)際上，如果我們分析智能制造的實(shí)現(xiàn)路徑，我們?cè)噲D通過IT與OT的融合來解決制造業(yè)的效率問題，簡而言之，我們?cè)噲D通過提高數(shù)據(jù)流的效率來提升生產(chǎn)制造的效率，尤其是在“個(gè)性化定制”這個(gè)問題上的效率，因此，我們需要對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)據(jù)的協(xié)同來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)化與決策效率。

要跨越的障礙包括以下幾個(gè)方面：

1.語義互操作

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)都是解決“信號(hào)”的問題，對(duì)于OT而言，信號(hào)，無論是直接的物理信號(hào)（4-20mA,0-10V）還是經(jīng)過總線進(jìn)行的數(shù)字化傳輸，其本質(zhì)仍然是服務(wù)于“控制”任務(wù)的，因此，對(duì)于總線而言，其主要是物理層與數(shù)據(jù)鏈路層解決問題即可，應(yīng)用層主要為了編程方便，就像CANopen采用數(shù)據(jù)字典對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析一樣，不同廠商的產(chǎn)品也是通過相應(yīng)的設(shè)備描述文件進(jìn)行解析，而這些都是在同一網(wǎng)絡(luò)中。

從OT控制角度而言，語義信息往往是通過查表的方式來進(jìn)行對(duì)應(yīng)，而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)又不同的定義方式，這也使得配置和編程變得多樣，不同網(wǎng)絡(luò)均需不同的編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問，并非不可以通信，而是比較復(fù)雜。

OPC UA解決的正是在水平集成與垂直的信息集成兩個(gè)維度的“語義互操作”問題，首先在水平方向采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義“語義信息”，第二個(gè)問題是與IT系統(tǒng)進(jìn)行語義的統(tǒng)一，使得在水平和垂直兩個(gè)方向均實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的語義信息互操作。

圖1-智能制造對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的需求

2.信息模型

要實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造，信息集成與效率至關(guān)重要，信息模型是完成“協(xié)同”的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器（M2M）、機(jī)器與商業(yè)系統(tǒng)（M2B）以及商業(yè)系統(tǒng)間（B2B）的協(xié)同，OPC UA是最佳的通道，OPC UA為此提供了基礎(chǔ)信息模型，包括底層總線傳輸?shù)恼Z義可以參考統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，而垂直行業(yè)的信息模型也同樣可以進(jìn)行協(xié)同，這也是為何ISA、OMAC、AutomationML、MTConnect、Euromap等采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一信息模型定義的原因。

圖2-OPC UA實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

3.模塊化軟件設(shè)計(jì)

OPC UA本身是面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)（SoA），OPC UA中的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，使得可以被直接訪問并應(yīng)用于分析，由于OPC UA Server扮演了一個(gè)中間隔離層的角色，這使得應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)分離SoC（Sparation of Concern）的設(shè)計(jì)，這讓HMI與應(yīng)用程序分析、讓數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析、數(shù)據(jù)與應(yīng)用人員分離，無論對(duì)顯示程序、應(yīng)用程序模塊化、人員操作均可實(shí)現(xiàn)分離，這意味著軟件的模塊化設(shè)計(jì)變得簡單，對(duì)于應(yīng)用而言，也會(huì)降低諸多成本。

OPC UA的Pub/Sub、Discovery、方法都提供了更多讓數(shù)據(jù)交互更為便利、實(shí)時(shí)的方法，不做累述。

二、TSN技術(shù)的意義

TSN是另一個(gè)即將投入應(yīng)用的傳輸協(xié)議，要了解TSN的意義，首先要明白在智能制造的工廠集成中所遇到的問題，然后它的意義才能更為清晰的顯現(xiàn)。

周期與非周期數(shù)據(jù)是OT與IT的區(qū)別

傳統(tǒng)OT之所以采用諸如輪詢機(jī)制，包括集束幀技術(shù)，均是為了實(shí)現(xiàn)“周期性”數(shù)據(jù)的傳輸問題，因?yàn)楦鞣N控制如溫度閉環(huán)、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人都是周期性的數(shù)據(jù)采集，用于實(shí)現(xiàn)同步關(guān)系。

而IT數(shù)據(jù)并非是周期性，而是更多采用“最大努力”，也因此像Internet任務(wù)按照OSI七層模型進(jìn)行IP路由、UDP都無需確認(rèn)，這與IT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)顯然是不同的。

這也是OT與IT進(jìn)行融合時(shí)，首先遇到的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問題，另一方面，IT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量必須比較大，例如：傳輸視頻信息、Word文檔、JPG圖片等都是需要較大的數(shù)據(jù)容量網(wǎng)絡(luò)。

太多的網(wǎng)絡(luò)需要中間轉(zhuǎn)換

曾經(jīng)有人說“這個(gè)世界上有多少家PLC廠商就有多少種現(xiàn)場總線”，對(duì)照一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每種現(xiàn)場總線的帶寬、物理介質(zhì)、支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)、最大傳輸距離、傳輸容量、校驗(yàn)方式等性能與功能性指標(biāo)均不同，如果這樣的話，現(xiàn)場連接的復(fù)雜性不僅要耗費(fèi)各種現(xiàn)場總線轉(zhuǎn)換設(shè)備，同樣在軟件層面也需要不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換，這不僅帶來巨大的硬件成本投入，也同樣意味著軟件的復(fù)雜性指數(shù)級(jí)的提升，而這對(duì)于我們談?wù)摰闹悄苤圃於?，就?huì)是巨大阻礙。

即使統(tǒng)一采用以太網(wǎng)，那么也僅僅是解決了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的問題，在實(shí)際應(yīng)用中，配置網(wǎng)絡(luò)與用戶仍然是各自不同的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

 

3.TSN扮演的角色

TSN扮演的角色在這個(gè)時(shí)候就比較突出，它解決了OT周期性數(shù)據(jù)與IT非周期性數(shù)據(jù)，OT實(shí)時(shí)性與IT數(shù)據(jù)容量大、節(jié)點(diǎn)多的問題得到了統(tǒng)一的解決。

圖3-TSN技術(shù)從音頻視頻-無人駕駛汽車到IIoT的集成發(fā)展

 

基于IEEE802.1AS-Rev提供時(shí)鐘同步機(jī)制，IEEE802.1Qbv和Qba提供了包含預(yù)留通道和最大努力的隊(duì)列報(bào)文傳輸機(jī)制，以及IEEE802.1Qcc的用戶與網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn)，以及IEEE802.1QCB的冗余數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，OPC UA基金會(huì)、IIC、Avnu聯(lián)盟等共同在推動(dòng)著TSN技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)，在汽車領(lǐng)域IEEE802.1QVB已經(jīng)在投入應(yīng)用。

圖4-IEEE802.1Qbv-Time Aware Shaper工作機(jī)制

圖5-IEEE802.1 Qcc-CNC用于TSN網(wǎng)絡(luò)與用戶配置的協(xié)議

圖4，圖5簡要的描述了IEEE802.1Qbv和Qcc如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度以及配置的方法。

OPC UA與TSN的融合，解決了IT與OT在傳輸機(jī)制的統(tǒng)一，同時(shí)也解決了語義互操作標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的統(tǒng)一，使得IT與OT的融合得到了真正的實(shí)現(xiàn)。

圖6-B&R將OPC UATSN融合逐漸融入其系統(tǒng)架構(gòu) 

三、OPC UA TSN對(duì)智能制造的影響

看上去OPC UA TSN在技術(shù)上打通了IT與OT的互聯(lián)，但是，就其現(xiàn)實(shí)意義卻遠(yuǎn)非我們想象那么簡單，它不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)，它對(duì)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有極大的戰(zhàn)略意義。

中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造路徑分析

其實(shí)，很多人都對(duì)阿里的電商發(fā)展提出了異議，就像看到兩篇相關(guān)的文章，一篇是說英國人認(rèn)為不發(fā)展電商可以讓小店更好的生存，解決就業(yè)，另一個(gè)談到日本人為什么不發(fā)展電商因?yàn)樗麄兿Ｍㄟ^更好的服務(wù)來讓消費(fèi)者體驗(yàn)到購物的樂趣，大概是這個(gè)意思吧？

聽上去似乎有道理，但是，我卻有不同的意見，這可能是“非不為，實(shí)不能”的原因，但就互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而言，阿里、騰訊、百度等企業(yè)已經(jīng)在應(yīng)用領(lǐng)域讓中國處于領(lǐng)先，這已然共識(shí)，國家推動(dòng)“人工智能”規(guī)劃，這反倒讓我看到一條更為明晰的路徑。

實(shí)際上，投資互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投資的，很多人覺得移動(dòng)、聯(lián)通、電信都是央企—天生的不喜歡，認(rèn)為他們是壟斷，但是，如此巨大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給我們帶來了今天支付的便利、各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用給我們生活無所不在的便利，這是因?yàn)橹袊芯薮蟮娜丝诨鶖?shù)攤低了平臺(tái)的成本，而英國、日本、德國這些國家是沒有條件讓如此巨大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。

而進(jìn)一步的發(fā)展，隨著這個(gè)領(lǐng)域的能力聚集，以及在人工智能、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的軟件算法、應(yīng)用模型的積累，使得我們制造業(yè)可以分享這些技術(shù)帶來的好處。

當(dāng)中國的制造業(yè)更多分享來自IT領(lǐng)域的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、應(yīng)用資源的時(shí)候，中國制造業(yè)的整體成本也是可以被降低。

當(dāng)我們可以通過OPC UA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問便利性，當(dāng)OPCUA與TSN的融合為整個(gè)IT與OT融合打通路徑的時(shí)候，中國自身在IT建設(shè)領(lǐng)域的資源也將被制造業(yè)分享。

 

改變自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的格局

前沿的自動(dòng)化企業(yè)正在積極的擁抱互聯(lián)網(wǎng)，很多相關(guān)的產(chǎn)品、技術(shù)會(huì)隨著IT與OT的融合變得更加競爭加劇，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)架構(gòu)將被重構(gòu)。

（1）自動(dòng)化行業(yè)將會(huì)因此發(fā)生的改變

邊緣計(jì)算的興起即是一個(gè)方向，由于通用的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、計(jì)算資源更為經(jīng)濟(jì)，因此，傳統(tǒng)的DCS、MES將不再需要巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投入，而基于無所不在的智能終端（iPhone/Andriod智能手機(jī)、PAD）使得HMI將更為直接的介入到顯示與操作，而ICT廠商在互聯(lián)產(chǎn)品領(lǐng)域大規(guī)模制造成本低下將使得傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也面臨新的競爭。

（2）軟件成為新的競爭力

某種意義上說，IT與OT的融合，也同樣意味著傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品在IT產(chǎn)業(yè)成本優(yōu)勢(shì)下面臨新的競爭。 

軟件成為了自動(dòng)化行業(yè)真正競爭的焦點(diǎn)，誰擁有更多的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用軟件的能力，以及行業(yè)Know-How的服務(wù)能力將成為未來競爭的關(guān)鍵，這也是為什么越來越多的自動(dòng)化廠商變得更加“軟”的原因，軟件成為未來競爭的利器已經(jīng)在諸多前沿的自動(dòng)化廠商這里得到了踐行。

（3）咨詢業(yè)務(wù)納入自動(dòng)化運(yùn)營范疇

另一個(gè)崛起的力量是“咨詢”成為了未來自動(dòng)化廠商必須發(fā)展的力量，這種力量需要將“運(yùn)營管理—Operation Management”的能力予以輸出，智能制造是一個(gè)集成，其核心在于通過自動(dòng)化、信息化、智能化實(shí)現(xiàn)“運(yùn)營水平”的提升，這體現(xiàn)在“質(zhì)量、成本與交付”，而智能制造必須圍繞“運(yùn)營”進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)，為客戶提供整廠的集成，必須緊密圍繞“運(yùn)營指標(biāo)”、“流程穩(wěn)定”來實(shí)現(xiàn)。

（4）知識(shí)將成為一種更具價(jià)值的資源，也是更具戰(zhàn)略性的競爭力：軟件是知識(shí)的一種表現(xiàn)形式，而咨詢業(yè)務(wù)也是一種知識(shí)的形式，業(yè)務(wù)模式的變化在于可以采用通用平臺(tái)，而以行業(yè)的知識(shí)成為新的盈利方式。人工智能賦予系統(tǒng)“智慧”—智慧與智能的不同在于具有自我判斷、自我執(zhí)行的能力，人們總是認(rèn)為人工智能、機(jī)器人將會(huì)代替人，但是，無論是機(jī)器人、還是人工智能系統(tǒng)，其本質(zhì)是對(duì)人的“智慧”進(jìn)行延伸到系統(tǒng)，用于生產(chǎn)的優(yōu)化與決策。

更高的經(jīng)濟(jì)性

回到技術(shù)范疇，OPC UA TSN打通了IT與OT，其本身的優(yōu)勢(shì)在于為智能制造帶來成本的更高的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)：

（1）降低系統(tǒng)配置與開發(fā)成本

就直接的應(yīng)用而言，OPC UA TSN帶來了系統(tǒng)融合，取消了在水平集成、垂直集成所非必須的硬件、軟件，簡化系統(tǒng)架構(gòu)、流程，使得整體效率降低。

就像微信、支付寶使得整體上中國人花費(fèi)在支付方面的時(shí)間降低，與過去復(fù)雜的銀行ATM提款、復(fù)雜的轉(zhuǎn)賬支付流程相比，今天我們每個(gè)人耗費(fèi)在支付這件事情的時(shí)間大幅下降，放眼整個(gè)中國，每年節(jié)省的時(shí)間可以按照百億小時(shí)來計(jì)算，僅就這一項(xiàng)就可以節(jié)省百億級(jí)以上的社會(huì)總成本。

打通的制造系統(tǒng)，僅就降低的硬件開支、軟件復(fù)雜性帶來的開發(fā)、配置時(shí)間就會(huì)是巨大的。

（2）.共享開放世界的資源降低成本

讓制造業(yè)可以分享在大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域的軟件資源、應(yīng)用數(shù)據(jù)、模型與方法，這種資源的分享，也讓制造業(yè)整體成本得到降低。