工業互聯網正在成為熱點，產業均將工業互聯網視為提升自身運營效率的法寶，在政策的鼓勵下也都增大投資，并且構建各種工業互聯網包括云、邊緣平臺，然而，我們必須清楚的意識到，工業互聯網必須先構建一個“網絡”，而這個話題卻較少被關注到，因為目前很多從事工業互聯網的都來自IT產業，對工業現場缺乏一定的認識，因此，有必要對制造現場的情況予以了解，并據此制定路線，如果自上而下規劃一定會遇到數據的采集與最終的優化結果形成的指令、程序下行傳輸問題，而自下而上的規劃就會先解決“互聯”問題。

一、工業互聯的障礙

在單個的機器生產，包括流程工業的運營中，傳統的現場總線是可以解決問題的，我們把這種定義為“集中控制”，由PLC/IPC作為控制中心，通過現場總線將分布式I/O節點、伺服驅動器等連接，并通過軟件定義的機器工藝與邏輯，控制機器的運行，保證加工速度與效率。

圖1-集中式控制到分布式計算的改變

而工業互聯網則基于“協同制造”，通過數據來優化生產中的節拍、降低不增值的生產環節消耗的時間成本，并且通過全局的產線、工廠數據采集來實現全局的“規劃”、“優化”、“策略”這樣的邊緣計算問題，在更長的時間粒度上，還會牽扯到基于云的大數據分析、機器學習、深度學習等。

圖1反映了這種集中式控制與分布式計算架構的轉變，這也是工業互聯網的主要特征。

1.1語義互操作問題

由集中式控制到分布式計算，這樣的架構使得傳統的現場總線會遇到瓶頸，這包括以下幾個方面：

連接，缺乏統一的應用層協議，各個不同的總線包括Profibus、DeviceNet、Modbus、CANopen，這些使得設備間無法實現“語義互操作”，而對于M2M、以及垂直的B2M、包括端到端的B2B場景而言，語義互操作是必須解決的問題，否則數據就無法真正被連接。

語義互操作相當于用相同的語言說，而不是中文說“你好”、英語說“Hello”、法語說“ Bonjour”、 俄語會說Здравствуйте，而這些必須以統一的語言，在工業通信里包括語法結構、語義的統一和規范，這里強調的是統一規范，而不是每個公司都用不同的，例如5+5計算的時候，如果一個是125px，一個是5inch這個5+5就無法進行計算。

1.2網絡的統一性問題

工業網絡與IT的商業架構網絡有非常大的差別，工業網絡特別強調“實時性”-因為所有控制是基于“等時同步”，即網絡數據傳輸的確定性，以及低抖動（一般在50nS左右），包括對安全性的需求（Safety而非信息安全的Security），而IT網路因為傳輸類似視頻、音頻、圖像、文件等需要高帶寬，以及安全性（Security），這些差異使得工業網絡與標準的以太網有很大的差別，在ISO/OSI模型中，工業網絡通暢僅物理層、數據鏈路層、應用層三層架構為主，交換機一般都不大使用，因為會有延時。

二、OPC UA扮演的角色

OPC UA和TSN嚴格來說并非是一項技術，而是標準，因為當整個互聯時，需要的是“標準與規范”，而OPC UA和TSN分別扮演語義互操作層的任務，而TSN則實現實時與非實時數據的統一網絡傳輸。

圖2-OPC UA模型架構

2.1OPC UA的功能與職責

OPC UA目的為了異構網絡間的的語義互操作問題，如圖2，為了實現這個目的由多個方面的功能與職責構成：

（1）.連接：OPC UA支持兩種模式的連接，對于MES/ERP、SCADA或者其它任何來自局域網、私有云架構、邊緣計算側的節點而言，都可以通過Client/Server架構和Pub/Sub機制來相互建立連接，OPC UA支持針對http/WebSocket、UA TCP的連接，以及JSON的支持，而Pub/Sub的機制如MQTT/AMQP也在最新的OPC UA中獲得了支持，使得OPC UA具有了廣泛適用性。

（2）.信息模型是OPC UA的核心

事實上，OPC UA的核心在于信息模型，這包括幾個方面：

--元模型：包括基礎的對象、參考、數據、類型與結構定義；

--內嵌信息模型，包括用于設備的，以及信息如歷史數據、報警、趨勢、日志等的數據規范；

--伴隨信息模型：OPC UA與各個行業的技術組織合作，將各種垂直行業的信息模型集成到OPC UA架構下，如MTConnect針對機床行業、PackML針對包裝工業、Euromap針對塑料工業，而Automation ML則針對汽車工業中的產線中機器人、控制器等的連接，包括最新的AutoID是針對RFID、條碼、二維碼的數據采集。

信息模型簡化了工業互聯網中的數據處理的工程量，否則，就會需要大量的工程時間消耗在網絡數據的配置、驅動的編寫、測試接口等，就無法快速擴張應用，使得工業互聯沒有經濟性。

（3）.安全，傳統的實時以太網技術等由于采用的是非標準以太網的機制，因此，也無法與IT網絡同時運行，因此，通常這兩種網絡是完全隔開的，外界很難訪問實時網絡，因此，也不大存在數據安全問題，主要是在人身與財產安全的功能（基于IEC61508/ISO10218-針對機器人行業等），而對于工業互聯網，這個安全就變得迫切，因此，OPC UA在整個架構設計中就貫穿了安全機制，包括加密、角色管理等多重機制。

2.2OPC UA被工業界大多數企業與組織所支持

目前，OPC UA基金會有大約4000多支持的企業，包括了全球最為知名的自動化廠商如ABB、SIEMENS、ABB旗下的B&R、Rockwell AB、Schneider、NI、和利時等眾多主流自動化廠商，也包括CISCO、Microsoft、SAP，以及國內的華為，各個現場總線基金會、如FDT/DTM、EPSG、ETG，包括VDMA、ZVI等協會都加入OPC UA基金會，共同推動OPC UA標準與規范。

OPC UA也是美國工業互聯網組織IIC的工業互聯網參考架構IIRA的通信互聯標準，而對于德國工業4.0而言，其Administration Shell是其協同關鍵，也是支持OPC UA作為通信標準，包括中國的智能制造標準體系也同樣支持OPC UA作為信息傳輸標準與規范。

如圖3所示，工業4.0實現中，通信則是基于OPC UA扮演非常關鍵的角色，在多個層次進行數據的傳輸，并通過伴隨協議來支持垂直行業的信息交互。

圖3-基于OPC UA的工業4.0通信實現

三、TSN--遠非聚焦工業的通信技術

3.1TSN應用于哪些場景？

在ISO/OSI模型中，TSN主要聚焦在第二層，最初，它是為了音/視頻同步而設計，后來被汽車行業關注成立了IEEE802.1Q工作組用于AVB(Audio-Video Bridge)，后來被工業領域的人關注，在2015年由主要的自動化、IT廠商成立了TSN工作組致力于開發具有通用架構的網絡基礎設施，目前華為、CISCO這些IT廠商、ABB、Shneider、SIEMENS幾乎絕大多數的自動化廠商都參與到了這個技術的研發與標準的制定過程中。

圖4顯示了TSN對于數據傳輸的應用場景，包括了廣播、精確同步時鐘（工業場景、航空航天、高鐵、車聯網）、用于安全的實時控制（SIL3/PL e等級的安全需要高動態響應網絡支持）、高吞吐量的數據如圖像、高清視頻，包括未來的AR/VR應用于工業的場景，都需要高帶寬、低延時的網絡來實現傳輸，因此，工業互聯網—這個包括了多種類型數據、應用場景的未來趨勢，必須借助于TSN這樣的網絡，當然，TSN目前主要在底層有線網絡，未來低延時網絡也會包括DetNet（由電信運營企業建立的上層網絡）、5G都會融入到工業互聯網，各司其職的進行數據傳輸。

圖4-TSN應用于多種數據的傳輸需求而產生

2.2TSN技術由哪些構成？

TSN技術的實現是基于“橋接”網絡技術，而且采用了更為精準的gPTP時鐘（相對于傳統IEEE1588的升級版），時鐘數據會在第2層直接插入到數據幀，而不像傳統網絡采用IPv4/IPv6的IP數據包傳輸時間，由于經過路由等會有較大的延時，TSN有眾多的Shaper-整形器來對數據進行分類調度，時間嚴苛需求就可以走直接的預先規劃的時間通道，而其它則基于“Best Effort”的策略來進行優先級傳輸調度。

TSN有系列的技術標準構成，目前IEEE已經發布了很多標準，如圖5所示，它包括了多個部分的標準：

圖5-TSN相關標準

（1）.時鐘同步，包括IEEE802.1AS和為了工業更為可靠的時鐘同步修訂版IEEE802.1AS-Rev,相對而言，IEEE802.1AS-rev對于網絡的時鐘精度要求更高，而且它支持一步機制，不像有些網絡節點如果不帶時間戳還需第二步額外再發一個時間信息包。

（2）.數據流控制相關的標準

主要是針對各種整形器的標準（Shaper），在數據流處理（如圖6所示），經過接收端、入口、濾波、流量計量，到達交換機隊列中，而傳輸選擇則是基于不同的整形器（Shaper）來進行不同應用場景的流控制，主要包括以下幾種情況：

CBS-基于信用的整形器用于目前的IEEE802.1AVB標準包；

TAS—時間感知執行器，對于IEEE802.1Qbv采用了TAS的整形器，目前這個主要針對工業應用場景；

搶占式MAC的IEEE802.1Qbu+IEEE802.3br,這個是為了讓Qbv的帶寬使用更為高效而設計的機制；

IEEE802.1Qch所采用的周期性序列與轉發，以及Qcr異步數據流整形（ATS）等，這些不同的整形器基于不同的應用場景。

圖6-IEEE802.1Q的標準數據幀處理流程

（3）.為了可靠性而設計的標準

IEEE802.1AS-Rev主要是為了避免主時鐘失效時切換到另一個主時鐘；

IEEE802.1Qci幀檢測過濾與報錯-針對數據幀為及時到達或者錯誤的數據幀等進行的處理機制；

IEEE802.1QCB-針對數據幀的復制與解除-數據沿著環路走時會復制，但在某個節點相遇則會解除一個數據幀的處理機制。

（4）.網絡配置協議

包括IEEE802.1Qat-針對汽車行業的AVB協議包里的一個流預留協議（Stream Reservation Protocol）；

IEEE802.1Qcc，針對SRP的增強版，用于配置TSN網絡中的Qbu+802.3br、Qbv等，包括用于配置Qbv,Qbu,Qci的YANG規范，這些都是為了更好的配置網絡和用戶。

2.3TSN的主要開發者

目前TSN由包括Cisco、華為等眾多IT和自動化廠商來開展，圖7是最早的參與者，積極的進行各種TSN技術的研發，目前這個隊伍已經擴展至幾乎所有的主流自動化廠商，也包括國內的很多科研院所、大學、企業，并且一些企業如貝加萊、西門子、三菱、倍福、TTTech等已經有產品在2017/2018年的德國SPS和漢諾威展展出。

圖7-TSN最初的核心發起者企業

四、OPC UA TSN構成了邊緣與云端的數據源

總結一下，用圖8，我們看到，OPC UA和TSN在整個ISO/OSI模型中分別解決了多個層次的問題，雖然看上去TSN僅處于第2層，但實際上，它是一個橋接網絡，網絡會由各個節點通過RSTP-快速生成樹的方式形成一個路徑表，這有點類似于路由表，每個節點都會存儲這個路由表，然后對轉發的數據進行中繼傳輸，而OPC UA則包括了會話、表示和應用層，包括如何建立主從、Pub/Sub的連接，以及安全的數據傳輸TLS機制。

圖8-OPC UA TSN在ISO/OSI模型中的定義

因此，我們可以看到，OPC UA TSN構成了類似于Internet的架構，而它是真正針對工業的場景的，未來，由OPC UA TSN構成的網絡將會成為邊緣計算端、云端等應用的數據源。