Page 43 - 网络电信2020年9月刊下
P. 43
解 决 方 案
OPC UA与5G融合在工业测试床的应用
1
1,3
2
1
夏文霞 ，庞伶俐 ，李冬冬 ，张为民 ，贾子玮 1
1.同济大学机械与能源工程学院，
2.华为技术有限公司上海研究所，
3.同济大学中德学院
摘要：从“工业4.0”和“中国制造2025”战略提出后，
信息化与工业化深度融合，信息技术融入到工业生产的各个环
节。由工业设备所产生、采集和处理的数据量越来越多，而5G
技术能够满足智能制造的海量数据传输、存储、云计算与决策
的需求。从解决IT（Internet Technology）与OT（Operation
Technology）融合难点出发，并结合目前受工业领域重视的
一种解决方案--OPCUA（OPCUA Unified Architecture）和TSN
（Time Sensitive Networking）融合技术，提出了OPCUA与
5G的数据融合方案，旨在解决OPCUA与5G蜂窝网络的传输映射
问题。所提出的PCF（Policyand Charging Function）和AF
（Application Function）通过N5接口使用HTTP协议进行数据
交互，并且通过实验室工业场景进行验证。
关键词：OPCUA；5G；TSN；信息融合；工业互联网
引言 等等。例如实验室工业设备对于时延要求不同，工业伺服器不
在智能制造时代，工业现场不仅仅需要采集与传输信息，
仅要求高实时性，而且要求同步精度，时延要求小于2毫秒，而
还需要进行计算与分析、优化，实现制造的高效协同，提高制
实验室的流水线装配台上的装配教学视频投放时延在秒级别即
造业的生产效率。如图1所示，从工厂到供应链的每个环节都需
可满足要求。
要数据的连接与传输，为了提高生产的效率，需要实现IT与OT 针对目前工业通信的难点，学术界和企业界将目光聚焦
[1]
的融合。然而实现IT与OT的融合还需要解决以下几个问题 ：
在了OPCUA和TSN上面，在2018年汉诺威工业博览会上，包括
图1 工业互联网的应用 工业互联网产业联盟（AII）、Avnu联盟、边缘计算产业联盟
（ECC）、FraunhoferFOKUS、华为、美国国家仪器（NI）、贝
加莱（B&R）、TTTech在内的超过20家国际组织和知名厂商，
[2]
联合发布了OPCUATSN智能制造测试床 。如图2所示，可以看出
OPCUATSN在ISO-OSI模型中的位置，虽然OPCUA是应用层协议，
但是实际上OPCUA已经覆盖了表达层和会话层，同时虽然TSN只
位于数据链路层，但是从TSN的机制和配置管理上理解，TSN已
经覆盖了物理层、数据链路层、网络层和传输层，因此可以认
为OPCUATSN已经贯穿了整个OSI模型，可以实现IT与OT融合。
TSN主要是用来搭建异构网络，即同一网络中需要集成不同
类型的设备、不同类型的通讯，通过TSN这些通讯设备之间实现
[3]
实时性交互 。
1）现场总线类型繁多，无法统一和兼容仅在IEC标准中 OPCUATSN采用有线通信，但是在某些情况下业务需求变
就有20多种的总线，不同总线在物理介质、带宽、电平、校验
图2 OPC UA与TSN在ISO-OSI模型中的位置[1]
方式、传输机制等方面都是不同的，所以不同总线的设备无法
实现互联。同时IT访问OT时，不同的数据访问需要不同的网络
驱动程序，甚至不同物理介质的现场总线还需要配置网络适配
模块；即使采用实时以太网，也需要不同的接口程序来表达语
义，互连、互通、互操作还未实现，这些方面成为了IT与OT融
[1]
合的难点 。2）不同类型的数据传输需求不同一方面，IT与OT
数据对于网络需求是不同，IT的数据通常是非周期性的，而OT
的数据往往是周期性，而在同一种网络中无法进行周期性与非
周期性数据的传输；另一方面，在工业领域中，不同的工业场
景所需要的数据传输需求也是不同的，如带宽、时延、丢包率
64 网络电信 二零二O年九月
