CN116743658A - 一种基于opc ua-tsn的工业互联网确定性通信方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OPC UA‑TSN的工业互联网确定性通信方法及装置，包括分布式通信部分、OPC UA‑TSN网络管理部分和底层设备通信部分。建立了针对工业互联网应用场景的基于OPC UA‑TSN的确定性通信装置，融合OPC UA与TSN两种通信架构，采用OPC UA作为异构网络设备通信规范，实现了底层工业网络的互联互通，将TSN替代传统以太网作为数据传输媒介，保障时间敏感数据的确定性传输；增强了OPC UA与TSN的兼容性，实现了两种协议的实时交互，保证了工业设备数据的互通和互操作性；将队列资源合理分配给各优先级数据流，建立非实时队列的动态管理方法，从而保证数据的实时传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业互联网确定性通信方法，具体为一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法及装置，属于工业互联网通信技术领域，应用于工业异构网络数据的实时可靠传输。
背景技术
近些年，工业互联网步入发展快车道，作为新一轮工业革命的关键支撑和智能制造的重要基石，推动了传统制造业的数字化转型与升级。工业互联网将IT与OT两种网络融合，消除语义互操作障碍，打破制造业通信壁垒，从而实现信息互联互通。当前，工业互联网现场层存在大量不同类型的工业设备，工业终端协议“七国八制”，各类设备通信标准不一，导致数据格式混乱，工业设备难以互联互通，以OPC UA作为工业网络通信基础架构，为网络中各工业设备进行信息建模，实现消息映射与信息集成，增强异构网络通信效率，能够实现异构网络设备的互联互通，打破信息孤岛与数据壁垒。
但随着工业数据种类的多样化以及数据量的不断增加，以OPC UA为框架的单一通信模式在实时数据传输方面表现较差，网络时延较高，难以满足时间敏感数据的高实时性与高可靠性需求。当前在异构网络互联互通方面，存在许多不同种类异构网络融合方法与数据调度算法，来提升网络通信的实时性与可靠性。但是这些传统方法在面向OPC UA与TSN融合过程中，依然存在设备通信兼容性差、网络配置复杂，网络时延较高等问题，无法适用于工业互联网应用场景，难以满足时间敏感数据的高实时性与高可靠性传输。
发明内容
本发明的目的就在于针对工业互联网应用场景中，语义互操作性差，以OPC UA为基础的单一通信模式实时数据传输效率低、网络延时高等问题，本发明提出一种基于OPCUA-TSN的工业互联网确定性通信方法及装置，保证工业网络互联互通，提高了工业数据传输的实时性与可靠性。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法及装置，包括分布式通信部分、OPC UA-TSN网络管理部分和底层设备通信部分；
分布式通信部分实现基于发布/订阅模式的海量工业数据传输，OPC UA-TSN网络管理部分负责OPC UA与TSN两种网络的协同通信，底层设备通信部分用于系统与工业现场设备的连接与通信。
作为本发明再进一步的方案：分布式通信部分包括：OPC UA通信组件和发布/订阅通信模块；
其中，OPC UA通信组件负责接收底层设备数据以及发布/订阅通信模块数据，连接系统内TSN网络，推送数据到目标地址，分为OPC UA客户端访问和OPC UA服务器访问两部分；
发布/订阅通信模块实现底层网络与云端的通信，采用基于AMQP的发布/订阅通信机制，确保海量数据传输的实时性。
作为本发明再进一步的方案：OPC UA-TSN网络管理部分包括：TSN网络配置、全局时间同步、路由转发、流量调度、网络拓扑分析、队列管理、消息映射以及数据收发八个模块；
其中，TSN网络配置模块完成TSN网络与流量调度的自动配置；
全局时间同步模块实现TSN网络设备的时钟同步；
路由转发模块负责TSN路由选择与数据流分配；
流量调度模块将数据流进行分类和调度，实现时敏数据的低时延、低抖动传输；
网络拓扑分析模块获取所有设备的网络信息与连接情况，构建全网拓扑图，分析网络连接状态；
队列管理模块用于装置缓冲队列管理，与流量调度模块协同工作，实现数据流的调度功能；
消息映射模块用于打通OPC UA与TSN的通信屏障，提高语义互操作性；
数据收发模块用来接收底层设备数据，完成向外部转发数据。
作为本发明再进一步的方案：底层设备通信部分包括：OPC UA通信组件和工业现场设备；
其中，OPC UA通信组件由客户端和服务器组成，连接系统上下层通信；
工业现场设备包括伺服电机、数控机床、PLC、机械臂、传感器等。
作为本发明再进一步的方案：该通信装置是基于工业互联网平台系统实现的，工业互联网平台系统包括设备数据采集装置、工业互联网确定性通信装置、信息显示装置；
设备数据采集装置由两部分组成，包括采集工业物联网现场环境下各类设备数据的传感器以及控制传感器节点工作的单片机；
工业互联网确定性通信装置由异构多核处理器系统构成，集成了基于OPC UA-TSN的确定性通信模块，用于接收设备数据并对其进行分类，然后执行帧抢占动态调度任务，利用TSN协议对设备数据进行实时传输。
信息显示装置采用人机交互模式，为用户显示工业设备的实时状态信息、报警信息以及加工信息。
作为本发明再进一步的方案：设定控制系统采样频率，在一个周期内将工业设备数据以及部署在设备上的传感器数据进行采集，然后通过单片机控制系统上传到服务器，实现工业数据标准化、结构化传输。
作为本发明再进一步的方案：控制系统由单片机及控制采集模块构成，能够接入工业互联网平台，实现设备数据的本地与云端的历史存储，同时可实现设备状态信息、加工信息、感知信息的可视化。
一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，包括OPC UA-TSN消息映射、OPC UA-TSN网络配置、面向TSN的帧抢占式动态调度算法三部分，可提供双向通信功能，具备OPC UA-TSN消息映射、网络配置和流量调度能力；其通信方法包括以下步骤：
步骤一、底层OPC UA嵌入式服务器连接现场层所有设备，并对每个工业建立信息模型，然后映射到地址空间；
步骤二、OPC UA嵌入式服务器将设备数据推送给TSN网络，设备状态信息、实际加工信息、传感信息等数据通过TSN网络完成实时传输。
作为本发明再进一步的方案：TSN网络与OPC UA嵌入式服务器、OPC UA客户端的协同通信；且OPC UA嵌入式服务器的OPC UA采用AMQP消息代理技术实现分布式通信对接云端管理层，完成决策控制、数据分析、设备管理等任务。
作为本发明再进一步的方案：OPC UA-TSN消息映射具体包括：
结合OPC UA Pub/Sub与TSN，将TSN实时传输能力引入到OPC UA网络，建立OPC UA-TSN确定性通信网络架构；该架构对应ISO七层网络模型，将TSN用于数据链路层，弥补OPCUA无法进行高实时、高可靠的数据传输的缺点；OPC UA信息模型可将应用层数据通过会话层和表示层，映射到传输层，然后通过网络层映射到数据链路层。
作为本发明再进一步的方案：OPC UA-TSN网络配置具体包括：根据IEEE 802.1Qcc标准，构建集中式网络配置模式，包括中央用户配置(CUC)和集中式网络配置(CNC)两部分，融合OPC UA发布/订阅网络配置方案与TSN网络配置方案，搭配TSN时间触发通信机制，满足OPC UA-TSN网络的全局配置和流量调度要求，具体工作步骤如下：
S1、OPC UA使用兼容性配置协议，将发布者和订阅者的QoS约束信息传输给CUC；
S2、CUC通过UNI(User Network Interface)协议将QoS约束信息传递给CNC；
S3、CNC根据QoS约束，计算与分析整个系统的的流量调度方案，确定实时数据传输路径；
S4、如果CNC能够满足各终端节点的QoS需求，则通过网络管理协议配置TSN交换机，然后CNC通过UNI协议将相关节点的流传输信息返回给CUC；如果CNC无法能够满足各终端节点的QoS需求，给CUC返回错误信息；
S5、当CNC已满足所有QoS约束，CUC配置OPC UA发布者和订阅者各项传输参数，开始数据传输。
作为本发明再进一步的方案：面向TSN的帧抢占式动态调度算法具体包括：将工业数据划分为周期性实时数据、非周期性实时数据、周期性非实时数据、非周期性非实时数据，同时将传输数据分为三种优先级进行传输，并建立三个优先级队列；周期性实时数据和非周期性实时数据由于对通信的实时性有较高要求，所以被标记为最高优先级(Priority#3)；周期性非实时数据相比于实时数据对于通信延迟的要求较低，因此周期性非实时数据被标记为第2优先级(Priority#2)；非周期性非实时数据被标记为最低优先级(Priority#1)。
作为本发明再进一步的方案：面向TSN的帧抢占式动态调度算法根据IEEE 802.1Q标签中的3位VLAN优先权代码，获取数据帧的优先级，并根据优先级推入到不同的优先级缓冲队列，结合WFQ算法思想对Priority#2和Priority#1进行合理调度。
作为本发明再进一步的方案：面向TSN的帧抢占式动态调度算法的流程包括：
首先分析各节点数据流(Df1,Df2,Df3…Dfn)特征，计算每个优先级队列的带宽Si，其中，表示优先级队列i的权值，n表示已建立队列的数量，计算公式如下：
通过引入虚拟时间和虚拟时钟来进行数据流的调度。设定数据调度模块的数据处理速度为r，所有优先级队列的集合为Bj，数据流处理的一段时间为τ。算法定义了虚拟时间V(t)，当TSN队列分析模块检测到所有队列均为空时，对V(t)重新初始化，即V(t)＝0；算法所有参数的函数关系公式如下：
在数据调度过程中，通过分析各数据帧实时性要求，计算队列中数据帧的虚拟到达时间和虚拟结束时间，然后权衡所有队列的数据传输需求，选取虚拟结束时间最小的数据帧发送到传输链路中，并对算法中的Bj进行更新。
为了避免非实时队列的饥饿现象，建立了一种非实时队列的动态管理方法，定义了Priority#1和Priority#2两类队列的最大空间和调控阈值。设定它们最大值为Lenmax，动态调整队列间隔的下界为Threshold，当前队列长度为Lennow；为队列i调整后权值，计算公式如下：
其中，1≤Threshold≤Lennow≤Lenmax；非实时队列的动态管理方法重点监测数据缓存较大的队列，将长时间得不到带宽分配的队列值变大，其中Lennow越大，/>越大，算法优先调度/>更大的队列数据进入传输链路，从而降低数据溢出风险，解决非实时队列的饥饿的问题；
面向TSN的帧抢占式动态调度算法规定了高实时数据帧能够抢占低优先级数据帧，当队列过载时，Priority#1队列数据帧可以抢占Priority#2队列数据帧，但被抢占的数据帧也会付出一定的时间；执行抢占操作后，被抢占的数据帧的时间开销Tframe preemption计算公式如下：
Tframe preemption＝[(TMCRC+TIFG)+(TExpress+TIFG)]×N
Tframe preemption包括额外开销和阻塞时间。额外开销包括算法中断被抢占数据帧传输后，产生的插入MCRC校验和的时间TMCRC和一个传输间隔时间TIFG；阻塞时间包括传输数据帧所消耗的时间TExpress和一个传输间隔时间TIFG。
本发明的有益效果是：
1.本发明建立了针对工业互联网应用场景的基于OPC UA-TSN的确定性通信装置，融合OPC UA与TSN两种通信架构，采用OPC UA作为异构网络设备通信规范，实现了底层工业网络的互联互通，将TSN替代传统以太网作为数据传输媒介，保障时间敏感数据的确定性传输；
2.本发明构建了OPC UA-TSN消息映射方法与OPC UA-TSN网络配置方案，增强了OPC UA与TSN的兼容性，实现了两种协议的实时交互，保证了工业设备数据的互通和互操作性；
3.本发明通过改进现有调度方法，提出一种面向TSN的帧抢占式动态调度算法，将队列资源合理分配给各优先级数据流，建立非实时队列的动态管理方法，避免非实时队列由于饥饿现象导致的缓冲队列溢出，从而保证数据的实时传输。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的装置结构示意图；
图3为本发明的装置中OPC UA/TSN确定性通信网络架构图；
图4为本发明的装置中OPC UA NetworkMessage映射为TSN数据帧过程图；
图5为本发明的装置中TSN数据帧映射为OPC UA NetworkMessage过程图；
图6为本发明的装置中OPC UA-TSN集中式网络配置结构图；
图7为本发明的装置中面向TSN的帧抢占式动态调度算法架构图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1至图2所示，一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法及装置，包括分布式通信部分、OPC UA-TSN网络管理部分和底层设备通信部分；
分布式通信部分实现基于发布/订阅模式的海量工业数据传输，OPC UA-TSN网络管理部分负责OPC UA与TSN两种网络的协同通信，底层设备通信部分用于系统与工业现场设备的连接与通信。
该通信装置是基于工业互联网平台系统实现的，工业互联网平台系统包括设备数据采集装置、工业互联网确定性通信装置、信息显示装置；
设备数据采集装置由两部分组成，包括采集工业物联网现场环境下各类设备数据的传感器以及控制传感器节点工作的单片机；
工业互联网确定性通信装置由异构多核处理器系统构成，集成了基于OPC UA-TSN的确定性通信模块，用于接收设备数据并对其进行分类，然后执行帧抢占动态调度任务，利用TSN协议对设备数据进行实时传输。
信息显示装置采用人机交互模式，为用户显示工业设备的实时状态信息、报警信息以及加工信息。
设定控制系统采样频率，在一个周期内将工业设备数据以及部署在设备上的传感器数据进行采集，然后通过单片机控制系统上传到服务器，实现工业数据标准化、结构化传输。
控制系统由单片机及控制采集模块构成，能够接入工业互联网平台，实现设备数据的本地与云端的历史存储，同时可实现设备状态信息、加工信息、感知信息的可视化
实施例二
本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：
分布式通信部分包括：OPC UA通信组件和发布/订阅通信模块；
其中，OPC UA通信组件负责接收底层设备数据以及发布/订阅通信模块数据，连接系统内TSN网络，推送数据到目标地址，分为OPC UA客户端访问和OPC UA服务器访问两部分；
发布/订阅通信模块实现底层网络与云端的通信，采用基于AMQP的发布/订阅通信机制，确保海量数据传输的实时性。
OPC UA-TSN网络管理部分包括：TSN网络配置、全局时间同步、路由转发、流量调度、网络拓扑分析、队列管理、消息映射以及数据收发八个模块；
其中，TSN网络配置模块完成TSN网络与流量调度的自动配置；
全局时间同步模块实现TSN网络设备的时钟同步；
路由转发模块负责TSN路由选择与数据流分配；
流量调度模块将数据流进行分类和调度，实现时敏数据的低时延、低抖动传输；
网络拓扑分析模块获取所有设备的网络信息与连接情况，构建全网拓扑图，分析网络连接状态；
队列管理模块用于装置缓冲队列管理，与流量调度模块协同工作，实现数据流的调度功能；
消息映射模块用于打通OPC UA与TSN的通信屏障，提高语义互操作性；
数据收发模块用来接收底层设备数据，完成向外部转发数据。
底层设备通信部分包括：OPC UA通信组件和工业现场设备；
其中，OPC UA通信组件由客户端和服务器组成，连接系统上下层通信；
工业现场设备包括伺服电机、数控机床、PLC、机械臂、传感器等。
实施例三
如图3至图7所示，一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，包括OPCUA-TSN消息映射、OPC UA-TSN网络配置、面向TSN的帧抢占式动态调度算法三部分，提供双向通信功能，具备OPC UA-TSN消息映射、网络配置和流量调度等能力。首先，底层OPC UA嵌入式服务器连接现场层所有设备，并对每个工业建立信息模型，然后映射到OPC UA地址空间，OPC UA嵌入式服务器将设备状态信息、实际加工信息、传感信息等设备数据推送给TSN网络，通过TSN网络完成实时传输。OPC UA采用AMQP(Advanced Message QueuingProtocol)消息代理技术实现分布式通信对接云端管理层，完成决策控制、数据分析、设备管理等任务。
实施例四
本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：
OPC UA-TSN消息映射，结合OPC UA Pub/Sub与TSN，将TSN实时传输能力引入到OPCUA网络，建立OPC UA-TSN确定性通信网络架构，如图3所示。该架构对应ISO七层网络模型，将TSN用于数据链路层，弥补OPC UA无法进行高实时、高可靠的数据传输的缺点。OPC UA信息模型可将应用层数据通过会话层和表示层，映射到传输层，然后通过网络层映射到数据链路层。
根据IEEE 802.1Q规定，VLAN中的PCP字段具有8个优先级，数据帧中的VLAN ID和目的MAC地址共同构成TSN数据流标识。图4为OPC UA NetworkMessage映射为TSN消息的过程。首先，从地址空间中获取已被订阅的节点数据，然后设置DataSet的参数，将数据集ID、设备数据、时间戳等信息加入到DataSet中，生成完整的DataSet。然后通过DataSetWriter获取DataSet，并创建DataSetMessage，选择同一WriterGroup下的所有DataSetMessage组合为一个NetworkMessage。在生成NetworkMessage之后，启动TSN映射功能，将已创建的NetworkMessage映射为TSN数据帧，配置成为一个TSN流，发送到TSN网络。
实施例五
本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：
图5为TSN数据帧映射为OPC UA NetworkMessage的过程，包括消息接收、解码、映射等过程。在接收到TSN网络的消息后，通过TSN Mapping模块将TSN数据帧映射为NetworkMessage，然后通过NetworkMessageProcessor解码，将NetworkMessage分解为DataSetMessage，由DataSetReader解析DataSetMessage中的每一个DataSet，最后通过DataSetDispatching模块将设备数据写入到地址空间的指定节点。
OPC UA-TSN网络配置，根据IEEE 802.1Qcc标准，构建集中式网络配置模式，包括中央用户配置(CUC)和集中式网络配置(CNC)两部分，融合OPC UA发布/订阅网络配置方案与TSN网络配置方案，搭配TSN时间触发通信机制，满足OPC UA-TSN网络的全局配置和流量调度要求，图6为集中式网络配置模式的结构图，具体交互过程如下：
S1、OPC UA使用兼容性配置协议，将发布者和订阅者的QoS约束信息传输给CUC；
S2、CUC通过UNI(User Network Interface)协议将QoS约束信息传递给CNC；
S3、CNC根据QoS约束，计算与分析整个系统的流量调度方案，确定实时数据传输路径；
S4、如果CNC能够满足各终端节点的QoS需求，则通过网络管理协议配置TSN交换机。然后CNC通过UNI协议将相关节点的流传输信息返回给CUC；如果CNC无法能够满足各终端节点的QoS需求，给CUC返回错误信息；
S5、当CNC已满足所有QoS约束，CUC配置OPC UA发布者和订阅者各项传输参数，开始数据传输。
实施例六
本实施例中除包括实施例一中的所有技术特征之外，还包括：
面向TSN的帧抢占式动态调度算法，将工业数据划分为周期性实时数据、非周期性实时数据、周期性非实时数据、非周期性非实时数据，同时将传输数据分为三种优先级进行传输，并建立三个优先级队列。周期性实时数据和非周期性实时数据由于对通信的实时性有较高要求，所以被标记为最高优先级(Priority#3)；周期性非实时数据相比于实时数据对于通信延迟的要求较低，因此周期性非实时数据被标记为第2优先级(Priority#2)；非周期性非实时数据被标记为最低优先级(Priority#1)，图7为面向TSN的帧抢占式动态调度算法架构图。
根据IEEE 802.1Q标签中的3位VLAN优先权代码，获取数据帧的优先级，并根据优先级推入到不同的优先级缓冲队列，结合WFQ算法思想对Priority#2和Priority#1进行合理调度。
首先分析各节点数据流(Df1,Df2,Df3…Dfn)特征，计算每个优先级队列的带宽Si，其中，表示优先级队列i的权值，n表示已建立队列的数量，计算公式如下：
通过引入虚拟时间和虚拟时钟来进行数据流的调度。设定数据调度模块的数据处理速度为r，所有优先级队列的集合为Bj，数据流处理的一段时间为τ。算法定义了虚拟时间V(t)，当TSN队列分析模块检测到所有队列均为空时，对V(t)重新初始化，即V(t)＝0。算法所有参数的函数关系公式如下：
在数据调度过程中，通过分析各数据帧实时性要求，计算队列中数据帧的虚拟到达时间和虚拟结束时间，然后权衡所有队列的数据传输需求，选取虚拟结束时间最小的数据帧发送到传输链路中，并对算法中的Bj进行更新。
为了避免非实时队列的饥饿现象，建立了一种非实时队列的动态管理方法，定义了Priority#1和Priority#2两类队列的最大空间和调控阈值。设定它们最大值为Lenmax，动态调整队列间隔的下界为Threshold，当前队列长度为Lennow。为队列i调整后权值，计算公式如下：
其中，1≤Threshold≤Lennow≤Lenmax。非实时队列的动态管理方法重点监测数据缓存较大的队列，将长时间得不到带宽分配的队列值变大，其中Lennow越大，/>越大，算法优先调度/>更大的队列数据进入传输链路，从而降低数据溢出风险，解决非实时队列的饥饿的问题。
面向TSN的帧抢占式动态调度算法规定了高实时数据帧能够抢占低优先级数据帧，当队列过载时，Priority#1队列数据帧可以抢占Priority#2队列数据帧，但被抢占的数据帧也会付出一定的时间。执行抢占操作后，被抢占的数据帧的时间开销Tframe preemption计算公式如下：
Tframe preemption＝[(TMCRC+TIFG)+(TExpress+TIFG)]×N
Tframe preemption包括额外开销和阻塞时间。额外开销包括算法中断被抢占数据帧传输后，产生的插入MCRC校验和的时间TMCRC和一个传输间隔时间TIFG。阻塞时间包括传输数据帧所消耗的时间TExpress和一个传输间隔时间TIFG。
工作原理：OPC UA通信组件包括OPC UA客户端访问和OPC UA服务器访问两部分，负责接收底层设备数据以及发布/订阅通信模块数据，连接系统内TSN网络，推送数据到目标地址，发布/订阅通信模块实现底层网络与云端的通信，采用基于AMQP的发布/订阅通信机制，确保海量数据传输的实时性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信装置，其特征在于：包括分布式通信部分、OPC UA-TSN网络管理部分和底层设备通信部分：
所述分布式通信部分实现基于发布/订阅模式的海量工业数据传输；
所述OPC UA-TSN网络管理部分负责OPC UA与TSN两种网络的协同通信
所述底层设备通信部分用于系统与工业现场设备的连接与通信；
所述分布式通信部分包括：OPC UA通信组件和发布/订阅通信模块；
其中，所述OPC UA通信组件负责接收底层设备数据以及发布/订阅通信模块数据，连接系统内TSN网络，推送数据到目标地址，分为OPC UA客户端访问和OPC UA服务器访问两部分；
所述发布/订阅通信模块实现底层网络与云端的通信，采用基于AMQP的发布/订阅通信机制，确保海量数据传输的实时性；
所述OPC UA-TSN网络管理部分包括：TSN网络配置、全局时间同步、路由转发、流量调度、网络拓扑分析、队列管理、消息映射以及数据收发八个模块；
其中，所述TSN网络配置模块完成TSN网络与流量调度的自动配置；
所述全局时间同步模块实现TSN网络设备的时钟同步；
所述路由转发模块负责TSN路由选择与数据流分配；
所述流量调度模块将数据流进行分类和调度，实现时敏数据的低时延、低抖动传输；
所述网络拓扑分析模块获取所有设备的网络信息与连接情况，构建全网拓扑图，分析网络连接状态；
所述队列管理模块用于装置缓冲队列管理，与流量调度模块协同工作，实现数据流的调度功能；
所述消息映射模块用于打通OPC UA与TSN的通信屏障，提高语义互操作性；
所述数据收发模块用来接收底层设备数据，完成向外部转发数据；
所述底层设备通信部分包括：OPC UA通信组件和工业现场设备；
其中，所述OPC UA通信组件由客户端和服务器组成，连接系统上下层通信；
所述工业现场设备包括伺服电机、数控机床、PLC、机械臂、传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信装置，其特征在于：所述通信装置是基于工业互联网平台系统实现的，所述工业互联网平台系统包括设备数据采集装置、工业互联网确定性通信装置、信息显示装置；
所述设备数据采集装置由两部分组成，包括采集工业物联网现场环境下各类设备数据的传感器以及控制传感器节点工作的单片机；
所述工业互联网确定性通信装置由异构多核处理器系统构成，集成了基于OPC UA-TSN的确定性通信模块，用于接收设备数据并对其进行分类，然后执行帧抢占动态调度任务，利用TSN协议对设备数据进行实时传输；
所述信息显示装置采用人机交互模式，为用户显示工业设备的实时状态信息、报警信息以及加工信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信装置，其特征在于：设定控制系统采样频率，在一个周期内将工业设备数据以及部署在设备上的传感器数据进行采集，然后通过单片机控制系统上传到服务器，实现工业数据标准化、结构化传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信装置，其特征在于：所述控制系统由单片机及控制采集模块构成，能够接入工业互联网平台，实现设备数据的本地与云端的历史存储，同时可实现设备状态信息、加工信息、感知信息的可视化。
5.一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：包括OPC UA-TSN消息映射、OPC UA-TSN网络配置、面向TSN的帧抢占式动态调度算法三部分，可提供双向通信功能，具备OPC UA-TSN消息映射、网络配置和流量调度能力；其通信方法包括以下步骤：
步骤一、底层OPC UA嵌入式服务器连接现场层所有设备，并对每个工业建立信息模型，然后映射到地址空间；
步骤二、OPC UA嵌入式服务器将设备数据推送给TSN网络，设备状态信息、实际加工信息、传感信息等数据通过TSN网络完成实时传输。
6.根据权利要求5所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：所述TSN网络与OPC UA嵌入式服务器、OPC UA客户端的协同通信；且OPC UA嵌入式服务器的OPC UA采用AMQP消息代理技术实现分布式通信对接云端管理层，完成决策控制、数据分析、设备管理等任务。
7.根据权利要求6所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：所述OPC UA-TSN消息映射具体包括：
结合OPC UA Pub/Sub与TSN，将TSN实时传输能力引入到OPC UA网络，建立OPC UA-TSN确定性通信网络架构；该架构对应ISO七层网络模型，将TSN用于数据链路层，弥补OPC UA无法进行高实时、高可靠的数据传输的缺点；OPC UA信息模型可将应用层数据通过会话层和表示层，映射到传输层，然后通过网络层映射到数据链路层。
8.根据权利要求7所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：所述OPC UA-TSN网络配置具体包括：根据IEEE 802.1Qcc标准，构建集中式网络配置模式，包括中央用户配置和集中式网络配置两部分，融合OPC UA发布/订阅网络配置方案与TSN网络配置方案，搭配TSN时间触发通信机制，满足OPC UA-TSN网络的全局配置和流量调度要求，具体工作步骤如下：
S1、OPC UA使用兼容性配置协议，将发布者和订阅者的QoS约束信息传输给CUC；
S2、CUC通过UNI协议将QoS约束信息传递给CNC；
S3、CNC根据QoS约束，计算与分析整个系统的的流量调度方案，确定实时数据传输路径；
S4、如果CNC能够满足各终端节点的QoS需求，则通过网络管理协议配置TSN交换机，然后CNC通过UNI协议将相关节点的流传输信息返回给CUC；如果CNC无法能够满足各终端节点的QoS需求，给CUC返回错误信息；
S5、当CNC已满足所有QoS约束，CUC配置OPC UA发布者和订阅者各项传输参数，开始数据传输。
9.根据权利要求8所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：所述面向TSN的帧抢占式动态调度算法具体包括：将工业数据划分为周期性实时数据、非周期性实时数据、周期性非实时数据、非周期性非实时数据，同时将传输数据分为三种优先级进行传输，并建立三个优先级队列；周期性实时数据和非周期性实时数据由于对通信的实时性有较高要求，所以被标记为最高优先级；周期性非实时数据相比于实时数据对于通信延迟的要求较低，因此周期性非实时数据被标记为第2优先级；非周期性非实时数据被标记为最低优先级。
10.根据权利要求8所述的一种基于OPC UA-TSN的工业互联网确定性通信方法，其特征在于：所述面向TSN的帧抢占式动态调度算法根据IEEE 802.1Q标签中的3位VLAN优先权代码，获取数据帧的优先级，并根据优先级推入到不同的优先级缓冲队列，结合WFQ算法思想对Priority#2和Priority#1进行合理调度；
所述面向TSN的帧抢占式动态调度算法的流程包括：
首先分析各节点数据流(Df1,Df2,Df3…Dfn)特征，计算每个优先级队列的带宽Si，其中，表示优先级队列i的权值，n表示已建立队列的数量，计算公式如下：
通过引入虚拟时间和虚拟时钟来进行数据流的调度，设定数据调度模块的数据处理速度为r，所有优先级队列的集合为Bj，数据流处理的时间为τ，算法定义虚拟时间V(t)，当TSN队列分析模块检测到所有队列均为空时，对V(t)重新初始化，即V(t)＝0；算法所有参数的函数关系公式如下：
在数据调度过程中，通过分析各数据帧实时性要求，计算队列中数据帧的虚拟到达时间和虚拟结束时间，然后权衡所有队列的数据传输需求，选取虚拟结束时间最小的数据帧发送到传输链路中，并对算法中的Bj进行更新；
为了避免非实时队列的饥饿现象，建立了一种非实时队列的动态管理方法，定义了Priority#1和Priority#2两类队列的最大空间和调控阈值，设定它们最大值为Lenmax，动态调整队列间隔的下界为Threshold，当前队列长度为Lennow；为队列i调整后权值，计算公式如下：
其中，1≤Threshold≤Lennow≤Lenmax；非实时队列的动态管理方法重点监测数据缓存较大的队列，将长时间得不到带宽分配的队列值变大，其中Lennow越大，/>越大，算法优先调度/>更大的队列数据进入传输链路，从而降低数据溢出风险，解决非实时队列的饥饿的问题；
面向TSN的帧抢占式动态调度算法规定了高实时数据帧能够抢占低优先级数据帧，当队列过载时，Priority #1队列数据帧可以抢占Priority #2队列数据帧，但被抢占的数据帧也会付出一定的时间；执行抢占操作后，被抢占的数据帧的时间开销Tframepreemption计算公式如下：
Tframe preemption＝[(TMCRC+TIFG)+(TExpress+TIFG)]×NTframepreemption包括额外开销和阻塞时间，额外开销包括算法中断被抢占数据帧传输后，产生的插入MCRC校验和的时间TMCRC和一个传输间隔时间TIFG；阻塞时间包括传输数据帧所消耗的时间TExpress和一个传输间隔时间TIFG。
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|---|---|---|---|---|
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