Часто задаваемые вопросы по технологии OPC UA over TSN

OPC UA over TSN поддерживается всеми крупными игроками на рынке основными поставщиками систем автоматизации. Технология способна обеспечить бесшовное взаимодействие между различными промышленными устройствами от разных производителей, которые существуют сегодня или будут разработаны в будущем.

OPC UA over TSN обеспечивает модульность и гибкость оборудования и производственного процесса, при этом имеет уже встроенные механизмы безопасности. Благодаря этому пользователи могут оптимизировать свое оборудование для экономически выгодного серийного производства индивидуализированной продукции. Технология обеспечивает надежный доступ к полной информации о производственных процессах, что позволяет оптимизировать производительность и проводить предиктивное техническое обслуживание с минимальным вмешательством в работу оборудования.

OPC UA over TSN - это полностью открытая, быстрая и хорошо защищенная технология. Ее использование приведет к росту производительности, снизит совокупную стоимость владения, упростит ввод в эксплуатацию, техническое обслуживание и внедрение инновационных решений.

На сегодняшний день по всем полевым шинам передаются "сырые данные", то есть просто нули и единицы. Конечное устройство не может интерпретировать эти нули и единицы без таблицы соответствия данных. В таких условиях невозможна бесшовная связь между устройствами, которая необходима для существования промышленного Интернета вещей (IIoT).

Информационные модели, используемые в архитектуре OPC UA, позволяют снабдить "сырые данные" семантическим описанием. В информационной модели нули и единицы обретают конкретное значение и обеспечиваются контекстом. Таким образом, любое устройство или человек может правильно интерпретировать полученную информацию.

Для архитектуры OPC UA разработаны методы, которые позволяют аппаратным ресурсам напрямую взаимодействовать между собой. Машины могут опрашивать друг друга, чтобы получить информацию о доступных службах, интерфейсах и функциональных возможностях. Это повышает автономность и эффективность их взаимодействия.

Подробные сведения об информационных моделях OPC UA и почему требуется семантическое описание данных, можно узнать по адресу сайте OPC Foundation.

Набор стандартов TSN описывает детерминированную доставку данных. Их интеграция в архитектуру OPC UA позволит повысить точность синхронизации оборудования от разных производителей на полевом уровне. Это положение верно и для связи между компонентами внутри одной машины.

Протокол OPC UA предусматривает стандартизированный способ структурирования данных, дает семантическое описание всем типам ресурсов и обеспечивает защиту передаваемых данных. Набор стандартов TSN играет роль инфраструктуры для осуществления детерминированной связи по OPC UA.

Без совместимости, которую обеспечивает OPC UA over TSN, коммуникацию между оборудованием от разных производителей необходимо задать в коде, что неминуемо приводит к чрезмерно дорогой разработке и снижению гибкости. Технология OPC UA over TSN устраняет эту необходимость и гарантирует непрерывное получение обратной связи от машины без вмешательства в ее работу.

Действительно, совместимость разных полевых шин долгое время не была в приоритете. Тем не менее, возможность бесшовного взаимодействия между устройствами необходима, чтобы вывести автоматизацию на новый уровень, предусматривающий обмен семантически целостной информацией, цифровизацию производства и реализацию концепции "Умного завода".

Совместимость не только повышает скорость обмена данными, улучшает гибкость и снижает стоимость, но и без должного уровня взаимодействия невозможно реализовать продвинутый сбор данных и оптимизацию процессов, которые необходимы для промышленного Интернета вещей.

Обычно в качестве концептуальной основы технологий коммуникации используется сетевая модель OSI, которая определяет семь уровней взаимодействия - от физического до прикладного.

Сеть с бесшовной связью должна обеспечивать полную совместимость и возможность взаимодействия между всеми семью уровнями модели. Протокол OPC UA обеспечивает защищенное взаимодействие на уровнях с 5-го по 7-й, а также защищенную вертикальную совместимость между устройствами от полевого датчика до облака. Взаимодействие на уровнях 3 и 4 обеспечивается общими IT-стандартами. На первом уровне используется протокол Ethernet.

Остается второй уровень модели, называемый канальным. Взаимодействие устройств на этом уровне регламентируется набором стандартов Time Sensitive Networking (TSN). Они описывают передачу данных в реальном времени, благодаря чему протокол OPC UA можно использовать в мультисервисных сетях, объединяющих IT- и OT-инфраструктуру предприятия.

Сама спецификация OPC UA была разработана организацией OPC Foundation. Разработкой набора стандартов TSN занимается рабочая группа IEEE 802.1. Чтобы согласовать усилия по разработке и внедрению спецификации OPC UA вместе с TSN и соответствующих профилей приложений, OPC Foundation дала старт инициативе Field Level Communication. Питеру Лутцу возглавит разработку и внедрение инициативы и спецификаций.

Технология OPC UA over TSN будет независима от поставщиков оборудования и обеспечит сквозную совместимость полевых устройств, применяемых во всех областях промышленной автоматизации. Внедрение технологии на полевом уровне закрепит роль OPC Foundation в качестве ведущей организации по разработке международного единого промышленного стандарта связи. В настоящее время организация OPC Foundation прилагает усилия к стандартизации функциональных возможностей приложений ввода/вывода, управления движением и безопасности.

Руководящий комитет OPC Foundation по коммуникации на полевом уровне состоит из 24 ведущих поставщика технологий ведущих компаний-поставщиков технологий автоматизации, среди которых ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, KUKA, Mitsubishi Electric, Molex, Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTech, Wago и Yokogawa. Однако все больше компаний присоединяются к разработке, недавно к инициативе также присоединились Moxa и Murr Elektronik.

Коммуникация в режиме реального времени является критически важной для промышленной автоматизации, когда речь идёт об управлении движением, машинном зрении или связи машина-машина (ПЛК-ПЛК). Стандарт Ethernet не подразумевает детерминированную доставку данных, поэтому все полевые шины, представленные на рынке, имеют собственные механизмы передачи данных в реальном времени. Пакет стандартов TSN описывает коммуникацию в реальном времени в соответствии со стандартом IEEE 802 Ethernet, превращая его в унифицированный стандарт, отвечающий всем нуждам промышленной автоматизации.

Технология TSN позволяет создавать мультисервисные сети, совмещающие недетерминированную IT-инфраструктуру с детерминированной OT-инфраструктурой, например, отвечающей за управление оборудованием и функциональную безопасность. В будущем стандарт TSN станет неотъемлемой частью всех передовых Ethernet-систем.

Для более подробной информации, см. Википедии или посетите веб-сайт IEEE.

Сеть на базе OPC UA over TSN может содержать более 10 000 узлов и использовать для передачи данных каналы с пропускной способностью от 10 мегабит до 10 гигабит и выше. Компания B&R проводила испытания технологии в сети из 200 контроллеров шины удаленного ввода/вывода, которая насчитывает в общей сложности 10 000 точек ввода/вывода. В этих условиях удалось достичь времени цикла менее 50 микросекунд с джиттером менее ±100 наносекунд. Эти испытания на практике подтвердили тезис о том, что OPC UA over TSN в 18 раз превышает по скорости самые быстрые решения, доступные на рынке сегодня.

Такой прирост производительности оставит в прошлом все проприетарные полевые шины. OPC UA over TSN гарантирует параллельную передачу по одному кабелю чувствительных к задержке данных для управления движением и больших объемов IT-трафика. При этом разные типы трафика не будут создавать взаимные помехи.

Подробную статью по реализации технологии OPC UA over TSN можно скачать с веб-сайта B&R.

Архитектура OPC UA была создана для связи в IT-системах. Технология OPC UA over TSN позволяет создать мультисервисную сеть, объединяющую OT- и IT-инфраструктуры без вмешательства в работу машин. Кроме того технология позволяет использовать механизмы безопасности OPC UA, которые хорошо знакомы сегодня всем IT-специалистам, такие как аутентификация и авторизация пользователей, шифрование и сертификация.

Ключевые преимущества - это открытость, наличие семантического описания данных, безопасность и производительность. Поддержка физических каналов с большой пропускной способностью обеспечит прирост производительности. Также технология поддерживает передачу данных в реальном времени.

Машиностроителю не придется заботиться о том, чтобы его оборудование было совместимо со всеми обновленными модификациями основных полевых шин, обеспечивающими поддержку TSN. Внедрение OPC UA over TSN позволяет передавать данные в реальном времени по единой сети, которая не зависит от поставщика оборудования, с единым протоколом для связи от полевого до облачного уровня.

Конечный заказчик, заинтересованный в создании мультисервисной сети, может использовать OPC UA для подключения к облаку через MQTT. Современные облачные платформы, ERP-системы и РСУ поддерживают коннектор для OPC UA, который облегчает взаимодействие с ними. Партнерские спецификации OPC UA позволяют машинам любых производителей описывать себя согласно стандартной семантической модели. Например, партнерская спецификация VDMA для робототехники предлагает стандартизированную информационную модель, которая обеспечивает единообразное отображение всей информации о функциях и параметрах робота независимо от его производителя или страны происхождения.

ARC Advisory Group опубликовала отчет на данную тему.

Участники организации OPC Foundation активно поддерживают развитие стандарта OPC UA. Поэтому было решено привлечь их к участию в проекте по обеспечению для технологии OPC UA поддержки детерминированного обмена данными посредством TSN.

Все 24 компании имеют общее видение и участвуют в руководящем комитете по инициативе «Field Level Communications», которая направлена на расширение OPC UA для построения бесшовной связи от датчика до облака.

Их четкая позиция по этому вопросу позволяет ожидать, что в ближайшем будущем все 24 компании начнут выпускать устройства с поддержкой OPC UA over TSN, и первые из них появятся уже в грядущем 2020 году. Это приведет к тому, что остальные поставщики и системные интеграторы начнут следовать тенденциям рынка и использовать единое коммуникационное решение, внося свой вклад в развитие самой крупной в истории экосистемы для промышленной автоматизации.

Поддерживаются все самые распространенные в промышленности топологии - линейная, звездообразная, древовидная и кольцевая. Технология TSN описывает стандартные механизмы для безударного резервирования в режиме реального времени посредством резервирования кабеля, кольцевой и ячеистой топологии.

Комплект разработки от поставщика включает все инструменты, необходимые для быстрой автоматической настройки сети. Поскольку все интерфейсы для конфигурации являются открытыми, то в качестве альтернативы инструментам от поставщика оборудования можно использовать инструменты для настройки сети от сторонних разработчиков.

Да, можно. Стандарты TSN являются логическим развитием стандарта Ethernet. Пакет стандартов TSN просто описывает детерминированную передачу данных по стандарту Ethernet. Таким образом, обычные Ethernet-устройства и TSN-устройства могут работать в одной сети.

Стандартным Ethernet-устройствам не требуется дополнительных интерфейсов или шлюзов для подключения к TSN-сетям. Однако только TSN-устройства смогут обеспечивать связь в режиме реального времени.

Да. В системах от компании B&R возможно синхронизировать обмен данными по POWERLINK и OPC UA over TSN.

Компания B&R придерживается стратегии продвижения товаров и услуг, которая гарантирует долгосрочную доступность и поддержку всей продукции и технологий. Появление на рынке новой технологии не скажется на нашей поддержке существующих продуктов. Компания B&R будет поддерживать технологию POWERLINK параллельно с OPC UA over TSN. Клиенты смогут выбрать стандарт передачи данных с учетом своих потребностей.

Большинство новых промышленных ПК серии Automation PC от B&R уже поддерживают технологию TSN. В скором времени ее будут поддерживать и все новые ПЛК. Физически для связи по стандартам TSN и Ethernet используется один и тот же порт.

Решения B&R с поддержкой OPC UA over TSN

Традиционные полевые шины будут поддерживать стандарт TSN, однако, в отличие от сетей на базе OPC UA, не смогут обеспечить бесшовного взаимодействия между устройствами. Традиционные протоколы не обеспечивают необходимого семантического описания и методов, которые имеются в OPC UA. Технология OPC UA имеет встроенные механизмы защиты, постоянно развивается и признана в качестве международного стандарта для коммуникации от полевого до облачного уровня.

Главный недостаток всех традиционных технологий заключается в том, что клиент вынужден использовать решения автоматизации от одного поставщика. Связь и синхронизация с другими сетями в этом случае затруднена. Для цеха, который состоит из оборудования от разных поставщиков, это означает невозможность наладить защищенную коммуникацию и реализовать продвинутые функциональные возможности, например мониторинг состояния, распределение нагрузки между производственными линиями, предиктивное обслуживание, оптимизацию настроек или ввод в эксплуатацию по принципу plug&produce. Машиностроители также зависимы от поставщика и ограничены в своих решениях уровнем его инновационной деятельности.

Разработчики анонсировали появление первых продуктов в конце 2019 года. Они будут доступны в продаже уже в начале 2020 года. Рекомендуем обратиться за подробной информацией к Вашему поставщику.

Подпишитесь на новости от OPC Foundation новостную рассылку. Вы также можете задать вопрос непосредственно Петеру Литцу.

Петер Лутц, Руководитель "Field Level Communications"
OPC Foundation
Peter.Lutz@OPCfoundation.org