CN116155431A - 一种支持opc ua与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统 - Google Patents

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CN116155431A CN202310080601.7A CN202310080601A CN116155431A CN 116155431 A CN116155431 A CN 116155431A CN 202310080601 A CN202310080601 A CN 202310080601A CN 116155431 A CN116155431 A CN 116155431A
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Abstract

本申请涉及支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统，现场设备包括可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS，可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS之间通过AXI总线交换数据，所述处理系统单元PS包括用户层和内核层，所述用户层包含数据传输程序模块、网络管理程序模块和时钟同步程序模块，所述内核层包含流量控制模块和设备驱动模块，所述可编程逻辑单元PL包含TSN网卡逻辑模块和现场设备逻辑模块。本申请保证数据传输的实时性和可靠性的同时，使现场设备能直接接入通用网络，有助于降低布线成本、提高网络拓扑灵活性和实现现场设备的即插即用。

Description

一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统
技术领域
本申请涉及工业互联网技术领域，特别设计一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统。
背景技术
工业互联网IIoT和工业4.0的兴起，彻底改变了自动化场景，对工业通信提出了更高的要求。工业通信需要同时满足实时控制应用的实时性、确定性需求以及工业大数据采集和分析的高带宽需求，并且遵循统一的、独立于供应商的标准实现。在工业自动化领域，已有多种工业以太网解决方案，如EtherCAT、Ethernet/IP、Profinet等。尽管有着相似的要求和细分市场，这些工业以太网解决方案间在很大程度上互不兼容，其中一些解决方案与经典以太网标准不兼容，无法满足现代制造业的要求。
目前工业界普遍认可的一个下一代工业通信方案是OPC UA over TSN。时间敏感网络TSN由IEEE提出了一系列协议族组成，位于开放系统互联OSI模型的数据链路层。TSN在传统以太网的基础上，提供更可靠、低延时、低抖动的数据传输服务，支持IO与OT数据的共网传输。符合IEC 62541国际标准的开放平台通信统一架构OPC UA是工业4.0参考架构模型RAMI4.0在通信层实施的唯一推荐方案。OPC UA在自动化领域已得到了广泛的应用，提供独立于厂商的建模方法，能实现安全的互操作性，其发布/订阅Pub/Sub通信模型能很好地在资源受限的设备上运行。OPC UA与TSN的结合，可以满足现代制造业对通信协议的所有需求，有望成为一种真正统一和单一标准化的工业通信方法。
近些年，国内外众多高校、企业以及相关机构，围绕OPC UA和TSN展开了研究，开发了多款支持TSN技术标准的交换机，对基于OPC UA over TSN的控制器到控制器(C2C)数据传输进行了测试。然而当前现场设备多采用几种特有的工业以太网协议实现生产数据的可靠传输。通过接口转换器将使用互不兼容协议的设备整合到同一网络中的方案成本较高，实施费时，不符合“即插即用”的理念，难以实现基于OPC UA与TSN的控制器到设备(C2D)统一数据传输。因此，设计一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统很有必要。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及通信系统，实现基于OPC UA TSN的从传感器到云的统一数据传输。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，包括可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS，可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS之间通过AXI总线交换数据，所述处理系统单元PS包括用户层和内核层，所述用户层包含数据传输程序模块、网络管理程序模块和时钟同步程序模块，所述内核层包含流量控制模块和设备驱动模块，所述数据传输程序模块构建现场设备信息模型，处理OPC UA TSN报文，与外部设备交换数据；网络管理程序模块包含LLDP服务器和NETCONF服务器，LLDP服务器通告设备状态，用于自动拓扑发现，NETCONF服务器响应集中式网络配置CNC的查询和TSN相关配置指令；时钟同步程序模块用于实现主从PTP硬件时钟之间以及PTP硬件时钟与系统时钟之间的同步；流量控制模块将流量映射到不同硬件队列，根据规则控制流量出队；设备驱动模块为上层应用程序提供与PL硬件逻辑交互的接口；所述可编程逻辑单元PL由TSN网卡逻辑模块和现场设备逻辑模块组成，TSN网卡逻辑模块包含基本多队列网卡逻辑、PTP硬件时钟以及TAS时间感知整形器；现场设备逻辑模块管理相应的现场设备。
所述数据传输程序模块采用OPC UA Pub/Sub与TSN的结合进行数据传输，实现时间触发的多对多实时通信，数据传输程序模块的Pub部分向外部设备发布现场设备的状态信息，Sub部分接收来自外部设备的配置/控制信息，并做出相应响应。
所述网络管理程序模块采用LLDP链路层发现协议通告设备状态，采用NETCONF网络管理协议来接收并响应来自集中式网络配置CNC的查询和配置信息，通过YANG数据模型对TSN网卡的门控列表进行数据建模。
所述时钟同步程序模块根据IEEE 802.1AS标准，计算硬件时钟偏差，根据计算结果对本地PTP硬件时钟进行调节，同时调节系统时钟与PTP硬件时钟完成同步。
所述流量控制模块采用时间感知优先级整形器TAPRIO排队规则实现TSN流量的出口调度，TAPRIO排队规程通过流量控制工具TC进行配置，最终将配置映射到TSN网卡逻辑模块中。
所述设备驱动模块包括网络设备驱动以及与现场设备逻辑交互的字符设备驱动，为用户层应用程序提供与可编程逻辑单元PL网卡逻辑单元以及现场设备逻辑交互的接口，构建的接口包括网络设备接口、PTP硬件时钟接口和现场设备接口。
第二方面，本申请实施例提供一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备通信系统，包括集中式用户配置CUC、集中式网络配置CNC、控制器、TSN交换机以及如上所述的现场设备。
所述集中式用户配置CUC收集流需求，汇总后传递给集中式网络配置CNC，集中式网络配置CNC获取网络拓扑，进行调度计算，得到各设备的配置信息，根据IEEE 802.1Qcc标准，集中式网络配置CNC采用NETCONF和YANG模型将配置信息下发到网络内的TSN交换机、控制器和现场设备中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于ZYNQ SoC设计了一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备及系统，赋予执行器、传感器等工业现场设备接入OPC UATSN网络的能力，通过PTP实现设备间时钟同步以及设备内软硬件时钟同步，通过OPC UAPub/Sub实现设备间多对多数据传输，通过VLAN标签标记TSN报文，通过硬件TAS出口调度实现周期性时间敏感报文的精确发送，同时，设备支持基于NETCONF的TAS门控列表配置。本方案中，使用独立于厂商、标准化的OPC UA TSN通讯方案，保证数据传输的实时性和可靠性的同时，使现场设备能直接接入通用网络，有助于降低布线成本、提高网络拓扑灵活性和实现现场设备的即插即用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例的通信系统示意图；
图2是本发明实施例的工业现场设备架构图；
图3是本发明实施例的流量出口调度示意图；
图4是本发明实施例的NETCONF XML配置信息示例；
图5是本发明实施例的TAPRIO Qdisc配置示例；
图6是本发明实施例的TSN网络逻辑架构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
如图1所示，一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备通信系统，其特征在于，包括集中式用户配置CUC 1、集中式网络配置CNC2、控制器3、TSN交换机4以及现场设备5，
所述集中式用户配置CUC 1收集流需求，汇总后传递给集中式网络配置CNC 2，集中式网络配置CNC 2获取网络拓扑，进行调度计算，得到各设备的配置信息，根据IEEE802.1Qcc标准，集中式网络配置CNC 2采用NETCONF和YANG模型将配置信息下发到网络内的TSN交换机4、控制器3和现场设备5中。控制器3和现场设备5可以灵活地接入TSN网络中。控制器和控制器之间、控制器与现场设备间基于OPC UA TSN实现可靠的多对多通信。
如图2所示，本申请实施例提供一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，包括可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS，可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS之间通过AXI总线交换数据，所述处理系统单元PS包括用户层和内核层，所述用户层包含数据传输程序模块、网络管理程序模块和时钟同步程序模块，所述内核层包含流量控制模块和设备驱动模块，所述数据传输程序模块构建现场设备信息模型，处理OPC UA TSN报文，与外部设备交换数据；网络管理程序模块包含LLDP服务器和NETCONF服务器，LLDP服务器通告设备状态，用于自动拓扑发现，NETCONF服务器响应集中式网络配置CNC的查询和TSN相关配置指令；时钟同步程序模块用于实现主从PTP硬件时钟之间以及PTP硬件时钟与系统时钟之间的同步；流量控制模块将流量映射到不同硬件队列，根据规则控制流量出队；设备驱动模块为上层应用程序提供与PL硬件逻辑交互的接口；所述可编程逻辑单元PL由TSN网卡逻辑模块和现场设备逻辑模块组成，TSN网卡逻辑模块包含基本多队列网卡逻辑、PTP硬件时钟以及TAS时间感知整形器；现场设备逻辑模块管理相应的现场设备。
所述数据传输程序模块根据现场设备的实际功能进行OPC UA信息建模。创建数据处理线程、pub线程和sub线程三个子线程。数据处理线程对接收到的配置/控制信息进行处理，更新设备状态信息；pub线程通过raw packet直接在用户层构建UADP消息、VLAN标签和MAC头部，通过nanosleep高分辨率睡眠机制周期性发送报文；sub线程通过raw packet在用户层解析接收到的报文。通过在VLAN标签中填写VLAN ID和优先级字段构建TSN标识，VLAN优先级取值为0～7，对应八种不同优先级的流量。对于TAPTIO Qdisc的工作，需要确定不同流量的类别。上述数据传输程序使用套接字选项SO_PRIORITY来设定套接字缓存(SocketBuffer，skb)优先级，skb有效优先级有16个，分别为0–15。TAPTIO根据skb优先级将报文映射到不同流量类。
周期性时间敏感报文离开应用程序后，经过一套软硬件结合的出口调度机制，保证报文的发送间隔抖动不超过1微秒，实现可配置的发送时间偏移，如图3所示。CNC中NETCONF客户端连接现场设备的NETCONF服务器，根据调度计算的结果下发端口配置信息。NETCONF服务器解析接收到的配置信息，如果配置信息验证通过，根据接收到的配置信息调用TC工具配置TAPRIO Qdisc。TAPRIO根据配置内容，将报文按skb优先级映射为多个流量类，为每个流量类分配一个发送队列。如图3中，优先级为0、1、2的报文映射到2号流量类，进入2号出口队列，优先级为3的报文映射到1号流量类，进入1号队列。报文离开PS，进入对应的PL硬件队列中，TAPRIO对TSN网卡的门控列表进行配置，按照时间片控制硬件队列门的开启和关闭。门开启状态下，允许报文离开队列，经过传输选择离开网口。
目前TAPRIO没有NETCONF API，NETCONF服务器通过将接收到的配置信息转化为TC指令的方式完成TAPRIO Qdisc配置。图4是NETCONF服务器接收到的XML配置请求示例，该NETCONF请求调用sched:set-gate-states操作在门控列表中创建了三个TAS时间槽。NETCONF服务器验证配置信息通过后，调用TC工具对TAPRIO Qdisc进行配置，配置指令及配置后的门控列表如图5所示。根据skb优先级，将网络报文分为4个流量类别，分别分配至4个发送队列中。创建发送队列的TAS门控列表，门控周期为250us。第一个时间槽长度为100us，允许队列1开启；第二个时间槽长度为100us，允许队列2和队列2开启；第三个时间槽长度为50us，允许队列3开启。
所述TSN网卡逻辑模块除了基本的多队列网卡功能外，还根据IEEE802.1AS标准实现PTP功能，根据IEEE 802.1Qbv标准实现TAS功能，架构如图6所示。网卡内部维护一个PTP硬件时钟，当报文离开或进入以太网MAC时通过PTP时钟获取当前时刻，用于上层时钟同步程序计算。发送调度器模块包含TAS出口调度功能，从PTP时钟获取当前时间，并根据门控列表决定队列的开启和关闭。
经测试，本发明构建的支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，能实现纳秒级时钟同步，周期性时间敏感报文的发送间隔抖动不超过1微秒。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，包括可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS，可编程逻辑单元PL和处理系统单元PS之间通过AXI总线交换数据，所述处理系统单元PS包括用户层和内核层，所述用户层包含数据传输程序模块、网络管理程序模块和时钟同步程序模块，所述内核层包含流量控制模块和设备驱动模块，所述数据传输程序模块构建现场设备信息模型，处理OPC UA TSN报文，与外部设备交换数据；网络管理程序模块包含LLDP服务器和NETCONF服务器，LLDP服务器通告设备状态，用于自动拓扑发现，NETCONF服务器响应集中式网络配置CNC的查询和TSN相关配置指令；时钟同步程序模块用于实现主从PTP硬件时钟之间以及PTP硬件时钟与系统时钟之间的同步；流量控制模块将流量映射到不同硬件队列，根据规则控制流量出队；设备驱动模块为上层应用程序提供与PL硬件逻辑交互的接口；所述可编程逻辑单元PL由TSN网卡逻辑模块和现场设备逻辑模块组成，TSN网卡逻辑模块包含基本多队列网卡逻辑、PTP硬件时钟以及TAS时间感知整形器；现场设备逻辑模块管理相应的现场设备。
2.根据权利要求1所述的一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，所述数据传输程序模块采用OPC UA Pub/Sub与TSN的结合进行数据传输，实现时间触发的多对多实时通信，数据传输程序模块的Pub部分向外部设备发布现场设备的状态信息，Sub部分接收来自外部设备的配置/控制信息，并做出相应响应。
3.根据权利要求1所述的一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，所述网络管理程序模块采用LLDP链路层发现协议通告设备状态，采用NETCONF网络管理协议来接收并响应来自集中式网络配置CNC的查询和配置信息，通过YANG数据模型对TSN网卡的门控列表进行数据建模。
4.根据权利要求1所述的一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，所述时钟同步程序模块根据IEEE 802.1AS标准，计算硬件时钟偏差，根据计算结果对本地PTP硬件时钟进行调节，同时调节系统时钟与PTP硬件时钟完成同步。
5.根据权利要求1所述的一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，所述流量控制模块采用时间感知优先级整形器TAPRIO排队规则实现TSN流量的出口调度，TAPRIO排队规程通过流量控制工具TC进行配置，最终将配置映射到TSN网卡逻辑模块中。
6.根据权利要求1所述的一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备，其特征在于，所述设备驱动模块包括网络设备驱动以及与现场设备逻辑交互的字符设备驱动，为用户层应用程序提供与可编程逻辑单元PL网卡逻辑单元以及现场设备逻辑交互的接口，构建的接口包括网络设备接口、PTP硬件时钟接口和现场设备接口。
7.一种支持OPC UA与时间敏感网络的工业现场设备通信系统，其特征在于，包括集中式用户配置CUC(1)、集中式网络配置CNC(2)、控制器(3)、TSN交换机(4)以及如权利要求1-6任一所述的现场设备(5)，
所述集中式用户配置CUC(1)收集流需求，汇总后传递给集中式网络配置CNC(2)，集中式网络配置CNC(2)获取网络拓扑，进行调度计算，得到各设备的配置信息，根据IEEE802.1Qcc标准，集中式网络配置CNC(2)采用NETCONF和YANG模型将配置信息下发到网络内的TSN交换机(4)、控制器(3)和现场设备(5)中。
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