CN111970212A

CN111970212A - 一种基于tsn网络和opc ua架构的确定性通信系统

Info

Publication number: CN111970212A
Application number: CN202010877232.0A
Authority: CN
Inventors: 罗志勇; 黄典典; 王耀; 何禹辰
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明请求保护一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，包括：嵌入式OPC UA服务器、TSN时间敏感网络及OPC UA客户端，其中，嵌入式OPC UA服务器用于负责连接工业现场的设备、机器、传感器；TSN时间敏感网络用于作为整个系统的通信载体；OPC UA客户端用于读取现场级数据、操作设备，为上层应用提供数据和操作功能。本发明将OPC UA嵌入式服务器与TSN网络结合起来实现。这样即兼容了OPC UA强大的面向对象的信息模型来描述语义丰富的系统，实现复杂工业现场的数据互通，又通过IEEE TSN的网络在联网中提供可靠的确定性，实现端到端的实时传输数据。

Description

一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统

技术领域

本发明属于工业网络领域，具体涉及一种使用时间敏感网络和OPC UA架构确保工业通信中关键负载的确定性通信和兼容普通的非确定性通信，以及实现工业现场网络中各种不同设备、应用的数据互通。

背景技术

随着智能制造的逐步发展，物联网、大数据、云计算等技术在工业中越来越受到重视和使用，工业数据越来越体现“数据即资产”这一重要的产业趋势。与此同时，工业物联网和工业4.0的新范例推动了经典的自动化金字塔，即使用统一的标准和与供应商无关的标准来简化集成和维护。为此，需要一种新的通信方法，这种新的通信方法应使用标准化的信息语义，并超越现场总线定义的传输层机制。

OPC UA代表开放平台通信和统一体系结构，是基于TCP/IP用于工业通信的客户端-服务器协议，它已被标准化为IEC62541。OPC UA服务器提供对数据和功能的访问，这些数据和功能是在面向对象的信息模型中构造的。OPC UA广泛用于自动化中灵活尽力(best-effort)的通信。对于许多应用实例，OPC UA已经取代了其前身(以Microsoft Windows为中心的OPC Classic，以及许多特定供应商的协议)成为工业应用中与供应商无关的灵活通信的主要竞争者。随着OPC基金会推动标准的不断改进，伴随规范的发展，OPC UA逐渐满足跨供应商、应用程序域、自动化层次结构实现统一的标准化和安全通信的相关要求。虽然OPCUA支持不同类型的设备、不兼容的协议和接口但OPCUA基于传统的以太网通信，无法提供可靠的确定性，以实现实时传输数据。而对于一些对时间因素特别敏感的应用来说，例如控制信号传输，确定性意味着整个系统的可行与可靠，也决定了系统的安全可控。

以太网自上世纪70年代诞生以来，由于以太网简单的网络连接机制、开放性、低成本、不断提高的使用带宽以及可扩展性和兼容性，以太网技术作为链路层连接标准在通行网络中得到了广泛的应用。但传统的以太网由于早期使用的局限性，本质上设计为是一个可共享的传输介质，当来自不同发送终端的流量数据在网络中同一个交换设备或路由设备上汇集转发时，必须按照发送目标端口在对应的队列中按照标准的先进先出的原则进行排队等待发送，产生的时间延迟由等待队列的长度确定，而等待队列的长度由网络中流量的变化决定。一旦网络中由于接入负载过多造成流量激增，就会出现网络拥塞，交换设备和路由设备中的排队时间便根本无法预测。传统以太网由于其机制无法精确控制端到端的时延，面对确定性通信业务的迫切需求，如何从“尽力而为”到“准时、准确”地控制端到端的时延对以太网提出了新的挑战。

虽然在工业领域，出现了通过扩展以太网提供初步的确定性解决方案，如PROFINET(process fieldnet)、EthernetCAT(ethernet controlautomationtechnology)、TTEthernet(time-triggeredethernet)，HaRTES(the hard realtime switcharchitecture)等。这些扩展以太网技术都基于传统的以太网提供了确定性的实时属性，并且可以在同一介质上传输实时和非实时流量，但由于这些扩展技术由不同供应商提供，具备各自的专有机制，它们之间并不能兼容运行且不能与标准以太网设备集成，很难满足工业网络上的实时确定性要求，这大大制约了实时以太网的进一步发展。并且，这些技术隶属于不同的组织或公司，彼此之间对于数据的解析和网络中协议都存在差异，根本无法实现跨供应商、应用程序、自动化层次结构实现统一、标准的数据互通访问。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统。本发明的技术方案如下：

一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其包括：嵌入式OPCUA服务器、TSN时间敏感网络及OPCUA客户端，其中，

嵌入式OPCUA服务器用于负责连接工业现场的设备、机器、传感器；通过搭建嵌入式服务器，对工业现场的设备、机器、传感器进行标准连接，实现系统中复杂工业现场的数据互通。

TSN时间敏感网络用于作为整个系统的通信载体；通过构建TSN时间敏感网络，将系统中传输的数据按照其特性分为时间敏感数据、非时间敏感数据，而传输的时间敏感数据按照其紧急程度又可划分其优先级，保证数据在网络中传输的确定性时延。

OPCUA客户端用于读取现场级数据、操作设备，为上层应用提供数据和操作功能。

1)获取数据：OPC UA客户端通过TSN网络交换设备连接嵌入式OPC UA服务器，而嵌入式OPC UA服务器中对应不同机器、设备、传感器，在其内部有多个对应的变量节点，变量节点与实际机器、设备、传感器之间存在映射关系，一旦有参数变化立即更新对应的变量节点的值。这样OPC UA客户端只需通过TSN网络发送读取请求(或使用订阅机制周期性的获取数据)，即可获取相应的数据，上层应用无需访问底层机器、设备、传感器，直接获取OPC UA客户端中存储的数据；

2)操作功能：上层应用操作底层设备，通过OPC UA客户端向嵌入式OPC UA服务器发送对应的操作，嵌入式OPC UA服务器初始化时对应不同机器、设备的操作，在其内部映射有对应的操作功能，操作对应的功能便能实现对实际机器、设备的操作。

进一步的，所述嵌入式OPCUA服务器的构建具体包括：将嵌入式OPCUA服务器的基本结构搭建在运行Linux系统的嵌入式设备之上，基本结构包括地址空间、服务器主体，根据工业现场实际的设备，首先在服务器中实例化建立与实际设备对应的模型，包含实际设备的各项功能、运行参数，接着将实际设备的操作API、运行参数对应映射到服务器中的构建的设备模型上，然后根据服务器中构建的对应设备、参数生成对应的节点集文件，最后利用节点集文件生成设备在服务器中对应的一个地址空间，OPCUA客户端连接服务器之后便可利用地址空间、节点对设备实现数据访问、功能操作；通过构建嵌入式OPCUA服务器，实现对数据的互通访问。

进一步的，所述时间敏感网络的工作过程为：首先将网络中的所有设备的本地时间同步；对所有进入时间敏感网络的传统以太网流量输入进行分类，标准以太网的帧数据结构中存在4B的VLAN标签，对此标签进行编写可将网络中的流量分为不同的优先级；进行分类之后的流量进入TAS时间感知整形器，根据不同的优先级进入相应的队列，整形器中的门控机制按照调度计划表和当前的时隙决定开启、关闭队列对应的门，实现不同队列的放行传输。

进一步的，所述时间敏感网络仅覆盖ISO/OSI模型的第一层和第二层，其余的层，尤其是应用层协议，仍然特定于每个工业以太网协议，与OPCUA可以兼容，对传统以太网进行适当修改(时间敏感网络中有很多协议对传统以太网进行了修改，如IEEE 802.1AS-Rev:时钟同步)，基于传统以太网实现时间敏感数据传输；这些机制涉及时间同步、流量控制、路径控制、管理机制等多个方面，

进一步的，所述OPCUA客户端构建对嵌入式OPCUA服务器数据的访问、订阅选项、功能实现，OPCUA客户端通过TSN时间敏感网络连接现场的嵌入式OPCUA服务器，实现上层、下层之间的互联互通；OPCUA客户端开放对应的API接口给上层应用，上层应用由此可实现实时、互通的访问工业现场的各项数据并实时、低延迟的实施对工业现场的各种操作。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明将OPCUA嵌入式服务器与TSN网络结合起来实现。OPC UA被视为主要的启用协议，可以提供标准化、独立于平台的安全通信。TSN时间敏感网络可以在联网中提供可靠的确定性。这样即兼容了OPC UA强大的面向对象的信息模型来描述语义丰富的系统，实现复杂工业现场的数据互通，又通过IEEE TSN的网络在联网中提供可靠的确定性，实现端到端的实时传输数据。

本发明的创新是将TSN时间敏感网络、OPC UA架构结合起来构建确定性的通信系统。通过嵌入式OPC UA服务器和OPC UA客户端之间的连接，访问嵌入式OPC UA服务器即可访问工业现场设备、传感器、机器中的各项数据和实现各种功能，不仅能提供标准化，独立于平台的安全通信，而且还可以实现不同类型设备之间的数据互通；使用TSN时间敏感网络构建系统的网络连接，将系统中的设备、机器、服务器、应用等连接起来以达到支持确定性通信的要求，通过划分不同类型的流量、优先级，以满足系统内传输硬实时的要求。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例确定性通信系统的整体方案

图2OPCUA嵌入式服务器的构建

图3TSN时间敏感网络

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明的构思是基于TSN时间敏感网络和OPCUA架构设计一种工业确定性通信系统，系统的整体构造如图1所示，大体可分为3个部分：

1)负责连接工业现场的设备、机器、传感器等的嵌入式OPCUA服务器；

2)负责整个系统的通信载体的TSN时间敏感网络；

3)负责读取现场级数据、操作设备，为上层应用提供数据和操作功能的OPCUA客户端。

1.构建嵌入式OPCUA服务器

嵌入式OPCUA服务器的构建如图2所示，将服务器的基本结构(地址空间、服务器主体等等)搭建在运行Linux系统的嵌入式设备之上。根据工业现场实际的设备，首先在服务其中实例化建立与实际设备对应的模型，包含实际设备的各项功能、运行参数等，接着将实际设备的操作API、运行参数等对应映射到服务器中的构建的设备模型上，然后根据服务器中构建的对应设备、参数生成对应的节点集文件，最后利用节点集文件生成设备在服务器中对应的一个地址空间(OPCUA客户端连接服务器之后便可利用地址空间、节点对设备实现数据访问、功能操作等)。通过构建嵌入式OPCUA服务器，能完美解决针对工业现场设备类型复杂、协议不兼容、接口不同而导致的系统集成问题，实现对数据的互通访问。

2.构建TSN时间敏感网络

时间敏感网络仅覆盖ISO/OSI模型的第一层和第二层。其余的层，尤其是应用层协议，仍然特定于每个工业以太网协议，因此与OPCUA可以兼容。通过多项关键技术的集成，对传统以太网协议进行适当修改，基于传统以太网实现时间敏感数据传输。这些机制涉及时间同步、流量控制、路径控制、管理机制等多个方面，可以说在不同层面上保证了数据在网络中传输的确定性时延。

时间敏感网络的工作过程如图3所示，首先将网络中的所有设备的本地时间同步，这是时间敏感网络的基础。对所有进入时间敏感网络的传统以太网流量输入进行分类，标准以太网的帧数据结构中存在4B的VLAN标签，对此标签进行编写可将网络中的流量分为不同的优先级。进行分类之后的流量进入TAS时间感知整形器，根据不同的优先级进入相应的队列，整形器中的门控机制按照调度计划表和当前的时隙决定开启、关闭队列对应的门，实现不同队列的放行传输。通过在系统中搭建时间敏感网络，一方面解决了传统网络拥堵的问题，另一方面确保了对优先级实时流量的传输，满足工业互联网中对关键性数据传输的确定性时延要求，同时还保证对非时间敏感数据传输的兼容。

3.构建相应的OPCUA客户端

按照OPCUA基金会规定的架构模型搭建与嵌入式OPCUA服务器相对应的OPCUA客户端，在其中构建对嵌入式OPCUA服务器数据的访问、订阅选项、功能实现等，客户端通过TSN时间敏感网络连接现场的嵌入式OPCUA服务器，实现上层、下层之间的互联互通。OPCUA客户端开放对应的API接口给上层应用，上层应用由此可实现实时、互通的访问工业现场的各项数据并实时、低延迟的实施对工业现场的各种操作。

通过上述方式，既使得网络具有确定性传输时延这一强大的能力，保障整个系统的可行与可靠，决定了系统的安全可控；又将工业现场所有设备的数据、功能标准化，实现统一和共享不同独立组件的数据。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，包括：嵌入式OPCUA服务器、TSN时间敏感网络及OPC UA客户端，其中，

嵌入式OPC UA服务器用于负责连接工业现场的设备、机器、传感器；通过搭建嵌入式OPC UA服务器，对工业现场的设备、机器、传感器进行标准连接，实现系统中复杂工业现场的数据互通；

TSN时间敏感网络用于作为整个系统的通信载体；通过构建TSN时间敏感网络，将系统中传输的数据按照其特性分为时间敏感数据、非时间敏感数据，而传输的时间敏感数据按照其紧急程度又可划分其优先级，保证数据在网络中传输的确定性时延；

OPC UA客户端用于读取现场级数据、操作设备，为上层应用提供数据和操作功能；

获取数据：OPC UA客户端通过TSN网络交换设备连接嵌入式OPC UA服务器，而嵌入式OPC UA服务器中对应不同机器、设备、传感器，在其内部有多个对应的变量节点，变量节点与实际机器、设备、传感器之间存在映射关系，一旦有参数变化立即更新对应的变量节点的值，这样OPC UA客户端只需通过TSN网络发送读取请求或使用订阅机制周期性的获取数据，即可获取相应的数据，上层应用无需访问底层机器、设备、传感器，直接获取OPC UA客户端中存储的数据；

1)操作功能：上层应用操作底层设备，通过OPC UA客户端向嵌入式OPC UA服务器发送对应的操作，嵌入式OPC UA服务器初始化时对应不同机器、设备的操作，在其内部映射有对应的操作功能，操作对应的功能便能实现对实际机器、设备的操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，所述嵌入式OPC UA服务器的构建具体包括：将嵌入式OPC UA服务器的基本结构搭建在运行Linux系统的嵌入式设备之上，基本结构包括地址空间、服务器主体，根据工业现场实际的设备，首先在服务器中实例化建立与实际设备对应的模型，包含实际设备的各项功能、运行参数，接着将实际设备的操作API、运行参数对应映射到服务器中的构建的设备模型上，然后根据服务器中构建的对应设备、参数生成对应的节点集文件，最后利用节点集文件生成设备在服务器中对应的一个地址空间，OPC UA客户端连接服务器之后便可利用地址空间、节点对设备实现数据访问、功能操作；通过构建嵌入式OPC UA服务器，实现对数据的互通访问。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，所述时间敏感网络的工作过程为：首先将网络中的所有设备的本地时间同步；对所有进入时间敏感网络的传统以太网流量输入进行分类，标准以太网的帧数据结构中存在4B的VLAN标签，对此标签进行编写可将网络中的流量分为不同的优先级；进行分类之后的流量进入TAS时间感知整形器，根据不同的优先级进入相应的队列，整形器中的门控机制按照调度计划表和当前的时隙决定开启、关闭队列对应的门，实现不同队列的放行传输。

4.根据权利要求3所述的一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，所述时间敏感网络仅覆盖ISO/OSI模型的第一层和第二层，其余的层，尤其是应用层协议，仍然特定于每个工业以太网协议，与OPCUA可以兼容，对传统以太网进行修改，基于传统以太网实现时间敏感数据传输；这些机制涉及时间同步、流量控制、路径控制、管理机制等多个方面。

5.根据权利要求3所述的一种基于TSN网络和OPC UA架构的确定性通信系统，其特征在于，所述OPCUA客户端构建对嵌入式OPCUA服务器数据的访问、订阅选项、功能实现，OPCUA客户端通过TSN时间敏感网络连接现场的嵌入式OPCUA服务器，实现上层、下层之间的互联互通；OPCUA客户端开放对应的API接口给上层应用，上层应用由此可实现实时、互通的访问工业现场的各项数据并实时、低延迟的实施对工业现场的各种操作。