Expert Talk: OPC UA based on TSN
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| 工業用 POE https://tw.mitscomponent.com/products_detail_240.htm |
工業正在迎來美好的通訊時代，而工業 4.0 背後需要的通訊體系，也開始浮出水面。
工業 4.0 的新通訊
工業 4.0 一開始就定義了，自身的頂層架構 RAMI，它從三個維度對工業 4.0 進行了框架描述，代表了德國對工業 4.0 所進行的全局式思考。
有了這個模型，各個企業尤其是中小企業，就可以在整個體系中，尋找到自己的位置。這是一股前所未有的洪流交融，萬物、人機、軟硬、虛實都要連接，需要一種全新的通訊觀，才能實現這種整合。從國際的工業巨頭，如西門子的實踐來看，基本是按照這樣的通訊框架，進行全域建構。
圖1：工業 4.0 架構 RAMI 與通訊
（來源：弗勞恩霍夫 IOSB－INA 和 VDMA 共同出版的《工業 4.0 通信指南》）
然而，通訊作為工業 4.0 系統中，非常重要的子系統，並不是只需要完成通訊系統的即時性能就可以 —— 這很容易被誤解是唯一重要的點。
更大的挑戰是，把通訊要求所涵蓋的所有網路，進行無縫的整合。這些網路包括，從有嚴格確定性要求的，就地控制網路，到工廠內部的運行操作管理網路，到企業生產的計劃調度網路，並延伸到全球連接的跨企業的通信，以及基於網路通信的自組態和各類網絡管理的整合。
同時，需要制訂不同以往的升級遷移、整合和維護，考慮與上下游企業的關聯，和連接可能性等複雜的即時策略。
要從底層的感測器傳遞到雲端，數據需要有多樣化的路徑。從廠房地板，到企業高管天花板，一路穿越的網路和連接管道的數據，如何實現通訊的無縫路，將成為一個最大的現場挑戰。
工業 4.0 正在呼喚一個全新的通訊局面，OPC UA 和 TSN 應聲而出。
數位化工廠的通訊贏家
以往，工廠到處都是機器，它們挨著多年，但生成的資訊，卻相互隔離，很少「交談」，也很少被利用。然而在離散型工廠，或過程自動化工廠中，資訊交流有各種不同的流量類型，和傳輸要求。
自動化控制設備與工廠級系統，和應用之間，存在垂直通訊需求，而從控制器到控制器、從控制器到現場設備（例如執行器、感測器和驅動器）、輸入和輸出等則有水平通訊需求。
以往，各種類型的現場總線和工業乙太網，支持這些不同的通訊需求，從而將流量劃分到，各個單獨的網路上。這種數據「各自為政」的數據治理局面的形成，固然有其歷史的必然性，可是當前卻正在成為，限制萬物互聯的「枷鎖」。
作為一種打造萬國設備的工廠級世界語，OPC UA 出現了。
近幾年來， 開放平台通訊，統一架構 OPC UA 的標準，發展速度很快，一路領跑。2017 年底，德國機械製造協會 VDMA 與弗勞恩霍夫 IOSB ，發佈了針對中小型機械製造企業，如何導入 OPC UA ，及其策略的指導原則。
指導原則明確的強調，OPC UA 不是自動化即時通訊的另一個標準，而是一種為，目前尚處於資訊孤島的設備之間，建立附加通訊通道的工具， 為不同生產廠商生產的成套裝置、機械設備和組件之間，提供一種統一的通訊方式。
OPC UA 不是來取代現有的通訊協議，而是實現通訊，進行統一對話的工具。換言之，這次來的不是搶地盤的，而是勸和使者。更重要的是，它是將設備從灰暗地帶、甚至是至暗角落，帶向一個高光時刻。
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從感測器到設備、到雲端，那是一路凶險的火焰山。取經途中需要解決的問題包括：統一的語義（各種通關文牒）、即時（跑得快）、大數據量傳遞（個子大）、海量併發（擁擠）、異構數據（不同膚色）。
OPC UA 作為一種面向服務的架構 SOA，為機械數據（諸如設備描述、測量數值、參數和控制變量）資訊交換的標準化，成為西天取經的重要法寶。
然而它只解決了上層問題，對於底層紛至沓來的數據，如同從山谷裡，殺出多個兵種的千軍萬馬，網路體系如何招架？
時間敏感網路 TSN 開始登場，它專門針對不同數據響應速度要求的特點，提供了一種網路彈性的保障機制。例如，在現代工廠控制中，既有大量即時數據的通訊與控制，也有許多監視器的監測，以及各種無線數據，使得現場的數據，形成了擁擠的跑道，充滿了大量結構化即時資訊和非結構化資訊（如音訊、視訊流）等各種不同類型的數據，對數據同步的精度要求比較高。
在控制器之間進行通訊時，可以利用 TSN 的功能按資訊傳輸的優先級加以協調，從而在複雜的現場情況下，保障各種通訊的協調一致性。
在控制器之間進行通訊時，可以利用 TSN 的功能按資訊傳輸的優先級加以協調，從而在複雜的現場情況下，保障各種通訊的協調一致性。
圖2：各種數據擠上跑道
可以說，TSN 搭建了一個數位世界的龜兔賽跑的新場地。這種龜兔同賽道的規則，不再是誰快誰慢，而是承認數據多樣性的一種理性選擇。
目前，TSN 已達到了實用所需的技術成熟度，具有 TSN 功能的網路組件、通訊處理器、軟體和網路管理系統都已經問世。其實，TSN 也並非全新的技術，其來源於 AVB（Audio Video Bridging）音視訊橋接，是由 AVnu 聯盟組織，所倡導開發的協議。AVB 協議是為保障實現音訊和視訊數據，提供時間同步的、低延遲的和保證頻寬預留的流媒體功能。
TSN 是 AVB 的進化版，在原有規格的基礎上，擴大了標準的範圍、功能和應用程式。在 2017 年，工業網路聯盟（IIC）和 Avnu 聯盟宣佈聯手，共同推動 TSN 開放標準設備的部署。這也意味著TSN，正在工業領域得到廣泛認可。
這樣一來，OPC UA 在上層，而TSN主要在下層，二者構成了地板與天花板之間的相互呼應。
圖3：基於 TSN 強化工業通訊（來源：西門子）
TSN 增強了乙太網的功能，也使得其更適合於工業應用。即使在高網路負載條件下，TSN 也能在機器和工廠之間，實現更加強大和可靠的乙太網通訊。這種可靠性使得汽車、機械工程等行業的自動化應用，擁有顯著優勢。
5G 工廠的數據觀
OPC UA 是在作為實體層和數據鏈路層的乙太網的基礎上，作為應用層的協議，而 TSN 則是為了改進現有數據鏈路層的協議。目前工廠裡的乙太網可以是有線的，也可以是無線的。目前大部分的 OPC UA 均運行在有線乙太網中。
然而，對於萬眾矚目的 5G，作為無線通信的基本載體，正在引起工業領域的全新興趣。
在以引領行業未來著稱的 2019 年德國漢諾威工業博覽會上，5G 第一次以專門展區形式出現，多家企業進行了集中展示與宣講。5G 和上一代蜂窩網路的主要區別之一是，5G 可以直接應用於機器之間通訊和物聯網。
包含 5G 和工業 WiFi 6 在內的無線通訊，將大幅度提高智慧工廠的靈活性、通用性和生產率。
國際標準化組織 3GPP 定義了 5G 的三大場景，其中每個場景都與製造業相關。增強型行動寬頻 eMBB，可以用於增強或虛擬現實、3D/超高清影像等，大流量高速行動寬頻業務；而海量機器類通訊 mMTC，用於智慧抄表、智慧農業、過程自動化等大規模物聯網業務；
而超可靠低時延通訊 URLLC，則可以用於無人駕駛、工業自動化控制、移動機器人、遠端製造等，需要低時延、高可靠連接的業務。而在所有工業應用中，運動控制應該是最具挑戰性和高要求的。這就落在 URLLC 的頭上。
圖4：5G 三大場景在未來工廠的應用（來源：ZVEI）
新的數據自治秩序，呼之欲出。
看上去，工廠裡的無線數據，正在處於準備炸鍋的局面。5G 在製造業中的應用，變成了一種期待。一些企業開始盼望未來，把 5G 融到工業應用領域中去。
不過且慢，需要潑點冷水的是，5G 在工廠現在，仍然處於不斷嘗試，尋找場景應用的青春萌動期。三大場景頻率資源，其實是不可能同時進行的。用標準的協議與工業應用，去做對應和適配，仍然是相對現實的做法。
較之有線通訊系統來說，無線系統顯然能快速突破技術，和經濟上的限制。未來會在工業生產中，運用數量巨大的低成本感測器和執行器，除了使用有效的無線系統，別無它法。
藍牙和無線局域網，都在開發低成本的結構，但至今為止僅有非常有限的機制，來解決抗干擾、資訊安全和響應時間等問題。單一的無線工業解決方案，侷限於很少的頻段，由於只能容納數量不多的感測器和執行器，不太可能有很好的經濟效應。因此，可能仍然需要 5 至 10 年，5G 才會在工業應用中起到巨大作用。
當下 ICT 的樂觀情緒和鼓吹，難免會影響了輿論的判斷。那種以為「設備＋連接＋雲端」，就可以完成大一統的想法，未免過於簡單。
隨著 5G 的發展，工業 WiFi 6 也開始成為，隨時隨地出發的數據軍團，無縫補齊 5G 所留下的空白。已經在商用領域實現 WiFi 6 技術的設備供應商，也逐漸意識到了無線技術，在工業控制應用中的特殊性。
這種工業現場特性的技術差異性，是很難靠 ICT 廠商實現突破的。對於設備漫遊的即時性和可靠性問題，ICT 公司透過上層軟體、驅動和集中調控的方式很難解決。
很多機器人、AGV 更無法形成集中資源，這就必須從設備端、現場端來解決。ICT 從一開始的立場，就已經表現出不同。這些網路設備，是不會關心控制的，而這恰好是設備製造商和 OT 企業，最為精心呵護的陣地。
在冷軋車間無人「黑燈工廠」中，重載鋼卷行車在黑暗而空曠的廠房高空中無聲行走，搬運著重達十幾噸的鋼卷，給人以震撼的感覺。
黑暗空間背後，同樣不可看見的，則是西門子等多個自動化廠家，提供的控制系統的支撐。在智慧製造諸多類似的現場，都可以發現，如果沒有可靠的驅動與控制、定位系統與通訊系統的協同，難言通訊技術的單刀突破，5G 在工廠級的應用和發展也不會例外。
目前來看，有線框架與無線框架將長期並存。也許未來 10 年左右，才能看到更好的融合點。
同樣地，OPC UA 也不是萬能的。OPC UA 本質上，只是為瞭解決機器之間的互聯互通和互操作，對於更複雜的軟體與軟體、數據與數據、人與系統等的聯接性，則是無能為力的。
這意味著，OPC UA 之外仍然需要大量的聯接性協議（如 DDS、oneM2M、HTTP）等加以補充。OPC UA 和 TSN 也是逐步搬遷到機制上。專業通訊的架構，仍然是工廠通訊的核心要害。這需要對設備有著深入的瞭解。
符合工業 4.0 要求的通訊，並無法立刻全面普及。要獲得全面的應用，恐怕還需要十年左右的時間。這對於急性的人們而言，或許顯得有點長，但考慮到自動化技術的應用，動輒三四十年，這已經算快速的應用了。
萬物互通訊，讓數位企業更精準
數據的魅力已經得到確認。在這樣一個 5G 時代，各種數據正在四處炸開，像是叮噹散落的珠子。大珠小珠落玉盤，各處濺射的數據，更需要一個聚寶盆來盛接。
物聯網平台隨著而來，正在成為一個理想的容器。與一般工業網路平台，承接中小企業的賦能任務所不同，國繼上紛紛走向大企業的策略合作。
德國福斯汽車在今年 3 月宣佈，西門子 MindSphere 將成為福斯工業雲的整合合作夥伴。其 122 家工廠的各種機械設備，將整合到工業雲端中進行，數據透明和數據分析，將為福斯汽車進一步提高生產效率，奠定技術基礎。
這個時代最令人深刻的印象是，大的科技都是在同時併發。5G、 WiFi 6.0、NB－IoT 等這些通訊技術，與物聯網大平台、人工智慧都交叉前進，呼應著一個數據大時代。
萬物互聯背後，正是通訊的時代。
在精益生產的體系中，水蜘蛛這個崗位的出現，意味深長。水蜘蛛是生產線上，專門從事生產看板、物料的準備和傳遞的人員。這些人被暱稱為「水蜘蛛」，形容其猶如飄在水上的蜘蛛，行動快速，日本人稱之為 Mizusumashi。日本人一方面把現場力做到極致，另一方面就是這麼擅長製造名詞，成為日本製造背後的一種病毒式傳播的工業文化。水蜘蛛是一種完成態勢感知，從而彌補局部工位資訊不足的一個重要崗位。
在未來智慧工廠中，諸如 AGV、移動機器人等各種生產物料將與人力、機器設備，和系統協同工作，機器或機器人的位置會隨時變動。因此，精確提供其在工廠中的位置資訊，對於自我引導的高效工作流程來說非常重要。
在這種場景下，「數位水蜘蛛」出現了。一種即時定位系統 RTLS，正在開始以位置＋自通訊的視野，進入了數位化工廠。它具有水蜘蛛的感知特性，但更能與上層的管理軟體系統直接對話，而且可以指揮。
一方面智慧系統如移動機器人、自動導引車 AGV 會隨時報告自己的地點和時間資訊；而相關對象 （如工件、工裝夾具、AGV 或機器人）都可以綁定電子標籤。標籤信號將由上位系統採集，並計算其位置，然後將資訊反饋給自動化系統，和製造單元。
圖5：實現整個公司內的全景定位（來源：西門子）
即時定位系統（RTLS），能引導物料、控制移動機器人、監測工件使用，並完整記錄追溯最終產品裝配的即時定位系統。從而實現高度靈活、自我組織的生產與物流解決方案，提高生產與物流傳統工作流程的動態性能。
小批量生產，變得更加可行。而西門子釐米級的 SIMATIC RTLS，則透過 MES 系統與業務點的精確數位化映射，從而涵蓋從物料入庫，到進一步加工和最終裝配。
一曲萬物大合唱的數據之歌，開始上演。而 RFID、讀碼器，這種傳統的不能再傳統的標識工具，突然間有了靈魂。它們不再孤獨作戰，不再局部交換資訊，而是組合建立了一個全廠級的兵團。這是水蜘蛛最有意義的事情了。
在寶馬、賓士的車間中，原來是透過單個的傳送帶，將車體送到不同位置進行加工。而透過生產工藝改進，和對於 RTLS 的應用，單軌運輸的固定輸送線，有可能被解放出來。
這意味著生產路線可以靈活地進行調適，工廠整個工藝生產佈局可以快速調整，柔性化生產將變得更加容易，廠房空間也可以大幅度壓縮。這背後需要準確捕捉每個設備、每個工件物料的位置資訊，並提供相應服務。
工具開始變得更加，有點像藍精靈一樣「調皮」了，可以自行動手動腳了。在汽車的加工工藝中，汽車安裝的時候有很多擰緊的動作，可以採集工具運動的動作和運動次數，以及分析在某個工位如何能裝配得更快。
假如這個工位的零件需要轉三圈緊固，那麼工人不用去翻看操作手冊，甚至也不用有記憶，而只是拿著帶定位的工具。這個設備，會自動轉三圈；而到了下一個工序位置，則根據定位可能自動旋轉十五圈。在不同的位置點，可以分配不同的任務。當生產線上的車型更換了，安裝順序、工藝流程不同了，都可以輕鬆調整，靈活應用。
就這樣，借助於超寬頻 UWB 技術，和 2.4G 無線通訊，即時定位系統，只是把位置資訊發給任務分配設備，任務分配設備再根據有線的或者無線的通訊方式，把任務發送到操作工具，操作工具就自動完成工作了。
智慧工廠往往過分強調，智慧設備和軟件，但工廠對象的智慧化，例如感測器、物料等，同樣無比重要。任何數據的發出源，都能借助全新的通訊體系，透過光學、機械和聲學等手段，將工廠對象，轉換成智慧對象。
一輛輛汽車的平淡無奇，由於 GPS 導航而重新定義車與路的關係。路盲的標籤，徹底地從每個人身上撕掉。而 RFID 這些早已在工廠默默多年的標籤，突然變得「視野開闊」，從「標籤對象」成為「智慧對象」，這正是拜即時定位系統所賜。即時定位系統激發了，現場所有可能資訊的釋放，讓一個數位化企業，變得更加觸手可及。
這種數位化企業的無線定位平台，配置簡單，激活了傳統存量設施，也激活了一個「空中之城」：那些即時、精準和動態的數據，在繁忙的物理設備的上空，也在大張旗鼓地處理和分析之中。
小記
萬物互聯引發了數據，像雪崩一樣地四處翻滾，將是未來數位化工廠最為壯觀的一個場景。
如何指揮這些數據、連同各種信號和指令，統一成一個和諧的人機協同的智慧工廠？
如果仔細觀察西門子這樣的數位化急先鋒，你會發現它背後，是對工業通訊的一個複雜多樣的全面佈局。因為工業通訊，正是打開智慧工廠大門的一把超級鑰匙。
在 5G 時代，讓人們對智慧工廠有了更多的想像空間，那些看不見的數據，則紛紛掙脫了設備的束縛，從機器的暗處紛紛走向明亮的螢幕之上。而工業通訊，這一傳統的角色正，以前所未有的包容，不動聲色地在背後，指揮著一切數據的自由流動。
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