OPC UA與5G融合在工業測試床的應用

在智慧製造時代，工業現場不僅僅需要採集與傳輸資訊，還需要進行計算與分析、最佳化，實現製造的高效協同，提高製造業的生產效率。如圖1所示，從工廠到供應鏈的每個環節都需要資料的連線與傳輸，為了提高生產的效率，需要實現IT與OT的融合。然而實現IT與OT的融合還需要解決以下幾個問題：

圖1 工業網際網路的應用

1）現場匯流排型別繁多，無法統一和相容僅在IEC標準中就有20多種的匯流排，不同匯流排在物理介質、頻寬、電平、校驗方式、傳輸機制等方面都是不同的，所以不同匯流排的裝置無法實現互聯。同時IT訪問OT時，不同的資料訪問需要不同的網路驅動程式，甚至不同物理介質的現場匯流排還需要配置網路適配模組；即使採用實時乙太網，也需要不同的介面程式來表達語義，互連、互通、互操作還未實現，這些方面成為了IT與OT融合的難點。

2）不同型別的資料傳輸需求不同

一方面，IT與OT資料對於網路需求是不同，IT的資料通常是非週期性的，而OT的資料往往是週期性，而在同一種網路中無法進行週期性與非週期性資料的傳輸；另一方面，在工業領域中，不同的工業場景所需要的資料傳輸需求也是不同的，如頻寬、時延、丟包率等等。例如實驗室工業裝置對於時延要求不同，工業伺服器不僅要求高實時性，而且要求同步精度，時延要求小於2毫秒，而實驗室的流水線裝配臺上的裝配教學影片投放時延在秒級別即可滿足要求。

針對目前工業通訊的難點，學術界和企業界將目光聚焦在了OPC UA和TSN上面，在2018年漢諾威工業博覽會上，包括工業網際網路產業聯盟（AII）、Avnu聯盟、邊緣計算產業聯盟（ECC）、Fraullllofer FOKUS、華為、美國國家儀器（NI）、貝加萊（B&R）、TTrech在內的超過20家國際組織和知名廠商，聯合釋出了OPC UA TSN智慧製造測試床。

圖2 OPC UA與TSN在ISO-OSI模型中的位置

如圖2所示，可以看出OPC UA TSN在ISO-OSI模型中的位置，雖然OPC UA是應用層協議，但是實際上OPC UA已經覆蓋了表達層和會話層，同時雖然TSN只位於資料鏈路層，但是從TSN的機制和配置管理上理解，TSN已經覆蓋了物理層、資料鏈路層、網路層和傳輸層，因此可以認為OPC UA TSN已經貫穿了整個OSI模型，可以實現IT與OT融合。TSN主要是用來搭建異構網路，即同一網路中需要整合不同型別的裝置、不同型別的通訊，透過TSN這些通訊裝置之間實現實時性互動。

OPC UA TSN採用有線通訊，但是在某些情況下業務需求變化，則需要工業裝置能夠根據生產環境靈活地移動，此時採用無線通訊的方式更為合適，由此本文提出了OPC UA與5G融合方案。

圖3 5G功能結構劃分

如圖3所示，5G標準包括增強型移動寬頻（eMBB）、超可靠低時延通訊（uRLLC）以及海量機器通訊（mMTC）三大應用場景，分別適用不同業務的傳輸場景，支援多種傳輸型別保障；其峰值吞吐率上行達到10Gb/s，下行達到20Gb/s，時延1ms，能夠滿足處理大資料量且傳輸速度要求高的場景；且5G蜂窩網路的QoS（Quality of Service，服務質量，一種為不同型別業務流提供差分服務等級的技術）／slicing機制保障不同業務的處理優先順序，實現不同業務的隔離，滿足工業生產要求，如工業伺服器的實時性與確定性、加工監控影片的時延。

OPC UA與5G融合採用無線通訊方式，不需要在車間大規模鋪設電纜或者通訊電路，節省成本，不受限於空間，能夠根據工業生產的需求靈活地佈置傳輸與生產裝置，更加適應“工業4．0”與“中國製造2025”的小批定製化生產系統。

本文OPC UA與5G的融合方案提出如何解決OPC UA到5G蜂窩網路中的傳輸對映問題，將不同工業場景的傳輸需求傳遞到5G網路，便於5G網路決策建立滿足工業需求的通訊通道，實現不同業務的優先順序處理，保障工業多種場景下的資料傳輸效能。

1 OPC UA TSN

隨著智慧製造以及自動化技術不斷地發展，智慧化、標準化與模組化己經成為了工業4．0的關鍵目標。生產廠商根據各自的通訊約定，並且生產監控系統採用的是不同的通訊標準，所以不同的裝置之間無法實現語義互通和高效管理。

為了解決這個問題，OPC基金會發布了OPC UA，不僅僅可以傳輸資訊，而且傳輸的資訊可以被每一個節點正確解析，解決語義互操作的問題，此外OPC UA還提供了封裝資訊模型的標準，易於開發。

圖4 OPC UA資訊模型

而TSN是使乙太網具有實時性和確定性的新標準，能夠將實時乙太網現場匯流排和OPC UA共享到同一個設施上，識別底層IO，實現現場層、控制層、管理層、雲端的資料通訊。

OPC UA與TSN融合能夠滿足通訊的實時性和確定性，既能保障訊息在短時間內（例如在實驗室中實時監控加工過程，影片資料傳輸要求時延在1s以內）傳送到目的地，又能夠保障訊息在規定的時間內到達。

2 OPC UA@5G

考慮到某些工業場景工業裝置佈置的靈活性和移動性，本文提出了OPC UA與5G融合的無線通訊方式，透過裝置之間的無線傳輸，消除中間裝置重新佈置的環節，提高生產的整體效率，實現IT與OT的融合與協同製造。OPC UA與5G融合還能夠實現工業場景中大資料量的傳輸並且能夠保證其實時性，以及實現底層資料上傳至雲平臺，進行大資料的計算與分析，如圖5所示。

圖5 OPC UA@5G融合框架

5G蜂窩網路能夠根據不同的場景業務需求，分配5G網路的資源，並針對不同的需求來提供特定的服務。根據5G這一特性，OPC UA將不同工業場景下的業務傳輸需求傳遞給5G網路，由5G網路生成資源分配的策略，例如QoS引數，如圖6所示。

圖6 5G網路Qos引數傳遞過程

本文提出了OPC UA與5G融合傳輸對映的解決方案，即解決OPC UA如何將不同場景下的業務傳輸需求傳遞給5G網路。基於5G現有的通訊機制，如圖7所示，PCF PCC（Policy and Charing Control，策略和計費控制）/QoS規則決策透過N5介面從AF獲得的會話和媒體相關資訊。

圖7 PCC架構中N5介面

本文采取的研究方法是透過N5介面來實現PCF與AF的互動。OPC UA傳送HTTP POST請求呼叫NDcf_PolicyAuthorization服務，將工業場景的業務傳輸需求傳遞給5G網路，生成相應的QoS引數，建立符合通訊要求的通訊通道，從而滿足不同工業場景不同的資料傳輸需求，如圖8所示是AF與PCF之間資料互動的過程”。