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3S MARKET

2019年7月31日 星期三

Expert Talk: OPC UA based on TSN


工業用 POE https://tw.mitscomponent.com/products_detail_240.htm



來源物联网世界

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。

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。

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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