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              DDS、OPC UA、TSN——基于IIoT的通信標準在制造業中的未來

              理解數據分發服務(DDS)、時間敏感網絡(TSN)和OPC統一架構(OPC-UA)的技術特點和適用環境,有助于更多制造企業實現高效的運營。

              為領先的工業物聯網(IIoT)連接框架標準,OPC基金會的OPC統一架構(OPC UA)和對象管理組的數據分發服務(DDS)盡管使用的領域不盡相同,但在工業系統中,兩者都獲得了廣泛的應用。


              每個框架標準都與當今許多使用簡單架構的離散自動化系統不同??删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC)通過現場總線連接設備。PLC 控制設備并管理與上游更高級軟件(HMI 和歷史數據庫)的連接。


              工廠車間使用的軟件也很簡單。它讀取傳感器數據、執行邏輯并驅動執行器,從而實現重復操作。工廠有一系列工作單元,每個單元都有幾十臺設備。


              為什么設計總是在變化?

              在過去30 年中,傳統的PLC和HMI設計表現良好。但是,它可能無法適應目前的發展。為什么?處理器速度和輕松互連的特性,提供了更強大的計算資源。以PLC 為中心的工作單元設計,可以構建可靠的系統,無限重復操作。然而,它們并非真正的“智能”。它們無法適應變化。它們無法充分利用計算能力和網絡容量的爆炸性增長。簡而言之,它們并不能實現智能化和更復雜的軟件。


              IIoT(工業物聯網) 具有改變工業系統的潛力。為此,它必須在工作單元、工廠和辦公室共享數據。當然,事情并不是那么簡單。想要達到普遍的數據應用,需要新的架構和新的連接方法。OPC-UA 和DDS 解決不同的問題。硬件工程師使用OPC-UA,因為它使設備連接變得簡單。系統架構師使用DDS,因為它跨越具有一致模型的系統層。DDS和OPC-UA不同,但這不是選擇哪一個的問題,它們之間沒有競爭。


              事實上,人們越來越重視以后如何共同構建強大的工業通信架構。真正的挑戰,是決定哪個問題需要解決。這使得了解OPC-UA和DDS可以做什么至關重要。確定何時單獨使用DDS,何時單獨使用 OPC-UA 以及何時使用兩種框架的組合非常重要。


              OPC-UA和TSN的融合

              在離散制造領域,OPC-UA 和時間敏感網絡(TSN)提供了解決“現場總線之爭”的潛在途徑。OPC-UA 可將專用設備,如傳送帶、傳感器、執行重復性工作的機器人和驅動器集成到工作單元。它可以將工作單元連接到HMI 和歷史數據庫等軟件上。通過為設備建模,并允許工廠技術人員和制造工程師通過PLC控制器協調這些設備來實現這一點(參見圖1)。

              圖1 :本地連接的發布訂閱設備網絡。OPC-UA 客戶端/ 服務器使用客戶端/ 服務器模式,將工作單元連接到HMI 和歷史數據庫。當使用OPC-UA 發布訂閱規范時,設備和PLC 發布或訂閱簡單的數字數據類型并通過就地連接進行通信,利用TSN取代工作單元中的現場總線。圖片來源:美國工業互聯網聯盟


              工作單元的編程并不像它們的配置那么多。制造工程師或技術人員,使用一組設備來實現工作單元中的功能。這些設備配有標準型號,因此工廠不會只用一個供應商。OPC-UA 系統是設備和現有模塊的組合,例如歷史數據庫和HMI。這種設計只需很少的軟件編程工作,就可輕松完成工作單元的組裝。


              OPC-UA將通信模式從發布訂閱更改為客戶端/ 服務器(請求/ 回復),從而將工作單元數據連接到系統范圍的數據。要接收數據,應用程序或更高級別的客戶端必須識別并連接到服務器。此體系結構的設計并不是為了支持編程團隊。例如,轉化發布訂閱和客戶端/ 服務器,會在各個級別上呈現不一致的編程模型。它不允許團隊預先定義新的軟件接口或共享數據類型。沒有這些,OPC-UA 就不能為系統范圍的軟件提供一個“真實系統”的數據源。盡管OPC-UA 可能會使嘗試構建復雜系統軟件的團隊受挫,它仍是將設備集成到工作單元中的一種最佳選擇。


              DDS 支持系統軟件

              DDS 針對構建分布式軟件應用程序的團隊。第一個DDS應用是用于智能機器人的以太網反饋控制。DDS隨后擴展到軟件密集型分布式應用,如自動駕駛汽車和海軍作戰系統管理。


              其基本目的是將軟件應用程序組合到具有一致模型的復雜系統中。雖然大多數DDS系統,將“功能性”人工智能與10到50個應用程序和設備集成到一起,但是某些DDS系統卻由數十萬個設備和應用程序組成,這些設備和應用程序可能是由數千名程序員編寫的。


              理解DDS的關鍵是要認識到分布式系統是并行的,系統架構必須與現實相匹配。這并不是什么新東西:當前分布式控制系統(DCS)的核心是控制執行引擎,它管理時間和控制循環。所有數據都存儲在“RAM”中,因此進程可以訪問任何數據而無需進行不必要的交互。DCS 提供了一個環境,可將功能塊組集成到一個盒子中,實現并行、確定性的反饋回路。


              DDS采用相同的概念并進行分發。DDS以數據為中心,共享“全局數據空間”。這意味著所有數據看起來都像存在于每個設備和算法中。當然,這是一種錯覺——所有數據都不可能無處不在。DDS 的工作原理是跟蹤每個應用程序需要什么數據以及何時需要這些數據,然后交付它。這樣,應用程序所需要的數據,就及時的保存在本地存儲器中。

              DDS和OPC-UA在很多方面的側重點都不同。DDS廣泛應用于需要復雜分布式軟件的行業。OPC-UA的目標是制造業,其中設備互操作性更為重要。


              數據中心的本質,是每個設備和每個算法,在任何時間以相同的方式在每個級別能夠即時就地訪問任何內容。最好將其視為分布式共享內存,類似于DCS沙箱RAM。沒有服務器或對象或特殊位置。它是整個系統的并行軟件架構。


              DDS是關于數據中心的,而不是模式。雖然大多數標準使用了發布訂閱,但標準還指定了請求/回復,一些供應商還支持排隊。應用程序以多種方式進行交互,但僅與共享的分布式內存交互,而不是直接相互作用。DDS還定義了系統接口(數據類型)和服務質量(QoS)流控制。它將模塊與透明且一致的系統范圍架構集成在一起,該架構獨立于模式。這種連接性,與以數據為中心的系統的“真實”數據庫類似,可為企業提供動力。


              但是,DDS不會為設備建模。工廠工程師和技術人員無法在不編寫代碼的情況下將設備組合到工作單元中。


              集成DDS、TSN 與OPC-UA

              數十年來,制造系統競爭的基礎都是一樣的:可靠性、生產率或實施成本。如果您認為已經購買到所需的軟件并能夠保持競爭力,則無需進行更改。另一方面,如果您預見到最佳軟件以及標準的優勢,那么您需要一條不同的路徑來迎頭趕上(參見圖2)。

              圖2 :美國工業互聯網聯盟的工業互聯網連接框架(IICF) 為業界提供了比較全面的連接技術分析。它包括對最常見的IIoT技術的詳細評估,以及OPC-UA和DDS。它還提出了可同時使用這些模式的架構。


              系統也可能需要從可互操作的設備構建。幸運的是,這并不一定是一個全有或全無的決定:DDS、OPC-UA 和TSN可以協同工作。對象管理組是工業互聯網聯盟(IIC)的上級組織,最近批準了將DDS與OPCUA集成的標準。對象管理組和OPC基金會正在制定將TSN與DDS和OPC-UA結合使用的標準。DDS供應商正在開發配置工具。


              工業互聯網聯盟開發了一種集成架構,并在制造應用中使用OPCUA、在電力和醫療保健等應用中使用DDS 創建了測試臺。實現可互換設備的靈活性與強大的軟件開發環境相結合,距離我們并不太遙遠。


              許多人難以定義這些新標準和技術的作用。為了在未來能夠保持競爭力,研究和提出問題以確保選擇正確的平臺或正確的組合至關重要。


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