彭瑜:以太网延伸到现场层的技术进展和困惑

  点击数:19708  发布时间:2020-06-03 09:35
毫无疑问,现场层在工业通信中最为特殊,连接的设备数量最多,连接的信号形形色色。从工业数字通信发展的历史看,现场总线从上世纪70年代开始研究,到大规模投入应用几乎花了二十年的时间,形成的局面却是几十种互不兼容的现场总线和工业以太网在争夺市场,列入国际标准IEC 61158中就有二十余种。于是为了现场设备集成和互操作还需要专门开发像FDT、EDDL这样的规范,使控制系统在需要集成多种现场总线/工业以太网时能够支持相互间的数据交换。对于最终用户来说只有接受这样的现实,没有别的选择。
关键词:OPCTSN ,工业通信 ,控制系统

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上海工业自动化仪表研究院有限公司教授级高级工程师、PLCopen中国组织名誉主席彭瑜教授

毫无疑问,现场层在工业通信中最为特殊,连接的设备数量最多,连接的信号形形色色。从工业数字通信发展的历史看,现场总线从上世纪70年代开始研究,到大规模投入应用几乎花了二十年的时间,形成的局面却是几十种互不兼容的现场总线和工业以太网在争夺市场,列入国际标准IEC 61158中就有二十余种。于是为了现场设备集成和互操作还需要专门开发像FDT、EDDL这样的规范,使控制系统在需要集成多种现场总线/工业以太网时能够支持相互间的数据交换。对于最终用户来说只有接受这样的现实,没有别的选择。

2018年OPC基金会的领导层高调宣称,OPC UA将在Pub/Sub机制的基础上开发延伸至现场层,把设备I/O、运动控制、安全等要求的通信全部纳入,成为一种从云到现场通信的互操作平台(见下图)。这招致全球工业界一片叫好声。在基金会公布的路线图中,2019~2020年重点的任务是:解决OPC UA通信的确定性(将UA的Pub/Sub的传输映射到TSN中)以及解决流程工业和工厂自动化要求的现场通信。为此还专门成立了现场通信指导委员会(Field Level Communication Steering,FLC),参加委员会的包括各主要工业自动化的厂商。

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实际的进展如何呢?在2019年将近年底的时候,德国一本专业的工业通信杂志刊登了曾担任EtherCAT技术开发组织执行主任17年的Martin Rostan先生撰写的文章,诘问“现场总线的战争结束了吗?”他指出,到目前为止OPC UA只能支持控制器之间的通信,从控制器到现场的通信还要依赖现场总线/工业以太网。倍福和库卡一直持这样的立场,西门子、罗克韦尔自动化和三菱电机自动化也主张相同的路径。他绝对不能想象这些公司会把他们的系统架构倒置,把他们的工业以太网技术PROFINET、EtherNet/IP和CC-Link IE作为牺牲放置在FLC的祭坛上。他还说,OPC TSN的方法基于7个IEEE 802.1的标准,由此又产生了7个附加的标准,仅仅IEEE 802.1Q这个标准就有2000页。如果OPC UA延伸到现场通信,那么将来所有的有关现场的产品在测试时都要符合这7个标准。相比起来,现在的现场总线的标准要精益的多。言下之意是即使在技术上可行,但测试成本居高不下,产品也很难在市场上推广。

我们知道把以太网单对双绞线电缆延伸到现场层始于2011年汽车工业的推动。接着在流程行业中,在几个最终用户组织的催促鼓动下,由若干个解决方案供应商组成的小组开始了技术研究,目标是研发一种以太网先进物理层,既能适用于所有工业通信协议,又可解决长距离传送,并可用于化工、石化等工业的易爆易燃的危险区。经过5年的研究证实了这一解决方案的可行性。接着在2018年,在FieldComm组织联合ODVA、PI等组织的推动下,西门子、ABB、罗克韦尔自动化、横河、E+H、P+F、KROHNE、菲尼克斯等一些仪表供应商和其他相关的厂商,组织了一个将以太网用于现场的计划,推动了制定工业级的基于IEEE以太网标准的解决方案。其首要目的是将现场的各类传感器/执行器及各种现场仪表和仪表装置与基于IP的互联网相联接。目前进度是2019年IEEE标准委员会已经正式批准,接下来的工作重心转移到IEC,要在2020年和2021年完成在危险区防护方法等标准和一致性测试标准,预计在2022年即可投入使用。实际上德国P+F等公司已经成功开发了相应的样机和系统,就等相关的标准正式发布和进行相关的测试。经过几年时间构筑这一技术的生态系统正在形成,囊括了从标准、网络部署的电缆和接插件,到现场设备的试制到测试规范等,最终到在各行各业中应用,所有有关的项目都在紧锣密鼓地进行中。

上述两项与现场层通信相关的重要技术,在OSI 7层模型中后者是物理层,前者为应用层,都是为了适应智能制造、工业互联网的急迫需求在迅速发展中。不过从工作的进展和有效性来说,OPC UA over TSN延伸到现场显然还差火候,还需要做许多的工作。特别是如果不能找到技术的可行性和未来相关产品的经济性之间的平衡,其市场前景还是难以预料的。

摘自《自动化博览》2020年5月刊

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