以太网

OPC UA：与TSN，APL更广泛的控制器通信

OPC UA使用以太网时敏网络（TSN）和以太网高级物理层（APL），用于控制器到控制器通信，针对标准的工业互操作性。

由Peter Lutz. 5月4日，2021年

礼貌：OPC基金会

学习目标

OPC UA规范将允许控制器到控制器通信。
以太网-APL和以太网TSN还将启用控制器到设备和设备到设备通信。
OPC Foundation的OPC UA还在集成运动，安全和5G无线的功能。

OPC Foundation的OPC UA（Unified Architecture）继续使用以太网时敏网络（TSN）和以太网高级物理层（APL）和控制器到控制器通信作为计划标准工业互操作性连接的一部分。

2018年11月推出后两年，OPC基金会的实地级通信（FLC）倡议已完成对“控制器到控制器”使用情况的基于OPC UA的字段交换（UAFX）的初始发布候选者。这标志着在现场等级的标准化工业互操作性解决方案中建立了一个重要的里程碑，利用了以太网TSN和以太网-APL等关键技术。

FLC计划发布了一个40页技术论文，详细说明了用于将OPC UA扩展到现场等级的技术方法和基本概念，以获得工厂和过程自动化的各种要求和用例。

在2018年，在德国纽伦堡，FLC倡议在OPC基金会的伞下成立。截至3月2021年，其中27家公司，包括世界上最大的自动化制造商，加入了该倡议的指导委员会，在经济上提供了资金和人员和技术知识。共同目标是将OPC UA的范围扩展到现场级别，并将OPC UA建立在工厂和过程自动化中的统一和一致的通信标准（图1）。在对所有OPC基金会成员开放的技术工作组中，超过60家公司的300多名专家正在努力制定适当的概念和规格。

图1：OPC UA可以作为集成通信解决方案，下降到现场级别。礼貌：OPC基金会

控制器到控制器原型

尽管Covid-19限制，但在过去一年中，该规范的第一个版本的工作取得了不错的进展。已经开发了控制器到控制器（C2C）用例的基本概念并将其纳入了第一草稿规范。第一届候选人于11月2020年11月完成。已实施原型以验证规范草案。工作组正在开发测试规范，该规范正在转换为OPC UA合规性测试工具（Uactt）的测试用例。

在该规范的第二个版本中，已经开发的概念将扩展为控制器到设备（C2D）和设备到设备（D2D）用例，因此OPC UA可以用作均匀和一致的通信手段跨所有自动化级别（图2）。这开辟了新的可能性，特别适用于不同的行业4.0应用场景和信息技术（IT）和操作技术（OT）（IT / OT）收敛。

图2：使用OPC UA的使用情况显示现场级别的扩展（控制器到控制器C2C，控制器到设备C2D和设备到设备D2D）。礼貌：OPC基金会

OPC UA在字段级别：系统架构

FLC计划指定的扩展基于OPC UA框架（IEC 62541），它可以实现安全可靠，制造商和平台无关的信息交换（图3）。控制器和现场设备支持既有基于连接的客户/服务器通信模型和发布/订阅扩展，这是由于灵活性，效率和确定性的相应要求导致现场级别的通信是必不可少的。

图3：基于OPC UA的系统架构可以包括字段级别的扩展。礼貌：OPC基金会

也使用OPC UA中指定的安全机制，其中包括支持身份验证。身份验证涉及用于传输的数据签名和加密，可用于客户端/服务器和发布/订阅通信关系。

FLC计划的初始发布候选者于2020年11月完成，由四个规格部件（OPC UA部分80-83）组成，并专注于C2C通信（控制器到控制器），以便通过手段交换过程和配置数据对等连接和基本诊断：

第80部分（OPC 10000-80）包括介绍并概述扩展OPC UA以便与现场级别通信的基本概念。
第81部分（OPC 10000-81）指定控制器和现场设备（自动化组件）和通信概念的基本信息模型，以满足工厂和过程自动化的各种用例和要求。
第82部分（OPC 10000-82）描述网络服务，例如拓扑检测和时间同步。
部分83（opc 10000-83）描述使用描述符和描述符包交换脱机工程所需信息的数据结构。

OPC UA安全和运动

对OPC UA（OPC UA安全）的安全规范也非常先进。基于客户/服务器机制的第一款OPC UA安全规范由与PROFIBUS和PROFINET INTERNATIONAL（PI）的联合工作组出现，于2019年11月（第15部分，OPC 10000-15）采用。对OPC UA安全规范的修订描述了OPC UA发布/订阅和安全参与者参数化的扩展。使用OPC UA的安全概念，安全参与者可以动态地集成到通信中，即使是机器或系统在运行时，也具有唯一的识别。

也可以报告关于OPC UA Motion的进展。工作组自2020年中期以来一直在开发基于OPC UA的运动规范。OPC UA运动包括用于各种类型的运动设备的运动控制功能的规范，例如控制器，标准驱动器，频率转换器和伺服驱动器。FLC指导委员会已同意基于CIP Motion和Sercos规范的工作，并使它们适应OPC UA信息建模和系统架构，占相关行业4.0用例。与OPC UA安全一样，使用OPC UA Motion的现有概念和规范加速规范工作。

图4：从传感器到云显示与OPC UA的语义互操作性。礼貌：OPC基金会

将OPC UA与TSN，APL和5G结合起来

OPC UA框架是传输 - 不可行的，可以与各种底层通信协议和传输物理一起使用。OPC基金会认为以太网TSN和以太网APL作为扩展OPC UA对工厂和过程自动化中所有使用情况和要求的策略的重要元素，是创建可扩展，工业互操作性解决方案的一部分。

OPC UA与TSN相结合

通过使用以太网TSN，便于通过OPC UA的确定性数据传输，这对于要求苛刻的自动化应用是必不可少的。此外，TSN允许使用标准化硬件和公共网络基础架构进行不同的应用和协议。这使得能够实现融合的工业自动化网络，其中各种IT和OT协议可以共存。

FLC工作组正在制定哪个TSN子标准，适用于基于OPC UA的最终设备和基础架构组件，以满足特定的性能，灵活性和易用性要求。OPC基金会对TSN-IA（工业自动化）配置文件有明确的承诺，由IEC / IEEE 60802工作组开发。因此，OPC基金会与标准化机构IEC SC65C和IEEE 802.1订立了联络协议。

OPC UA与APL相结合

以太网- apl描述了专门为流程工业的需求而开发的以太网物理层。以太网- apl能够实现长距离高速数据传输，通过普通的双绞线电缆提供能源和数据，并在危险区域安全使用保护措施。以太网- apl可用于流程工业中实现OPC、UA和其他基于以太网的协议。OPC基金会于2020年6月加入以太网-APL项目，与其他非营利组织和各种行业合作伙伴共同开发和推广APL。

OPC UA与5G相结合

通过OPC UA的数据交换不限于有线或无线以太网通信。支持5G移动通信标准是OPC基金会的发展计划。5G映射将无缝集成到现有的OPC UA架构中，因此OPC UA FLC计划的所有协议和简档扩展都可以通过以太网，以太网TSN和将来使用5G。

图5：截至3月2021年，27个OPC基金会成员公司参加了OPC基金会的领域级通信（FLC）倡议的指导委员会。礼貌：OPC基金会

启用工业自动化互操作性

OPC UA（IEC 62541）框架，具有FLC计划指定的现场级别的扩展，与潜在的通信标准相结合，如APL，TSN，以及将来，5G，提供完整，开放，标准化和可互操作的解决方案。它满足了工业通信要求，并使从现场级别到云的一致性和语义互操作性，反之亦然（图4）。通过这种方法，使用各种OPC UA伴侣规范，可以在数据源上使用标准化语义提供信息。

考虑流量计提供标准化的“OPC UA流量测量数据”的用例。伺服驱动器还可以处理标准化的“OPC UA驱动器设定值”，并在伺服驱动器时提供标准化的“OPC UA实际驱动值”与以太网TSN集成到机器网络中。

Peter Lutz.是董事OPC基金会FLC倡议。OPC基金会是CFE媒体内容合作伙伴。由Mark T. Hoske，Content Manager编辑，控制工程，CFE媒体和技术那mhoske@cfemedia.com.。