隨著6月6日5G商用牌照的發(fā)放，中國5G的發(fā)展毫無意外地開始加速。中國移動2019年預(yù)計(jì)將投入192億人民幣，三大運(yùn)營商預(yù)計(jì)今年建設(shè)8至9萬個(gè)基站（對比一下，美國目前只有幾千個(gè) ）。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2026年ICT運(yùn)營商5G的數(shù)字化收入預(yù)計(jì)將超過12000億美元，其中約2340億美元來自相應(yīng)的垂直制造領(lǐng)域
工業(yè)正在迎來美好的通訊時(shí)代，而工業(yè)4.0背后需要的通訊體系，也開始浮出水面。
工業(yè)4．0的新通訊
工業(yè)4．0一開始就定義了自身的頂層架構(gòu)RAMI，它從三個(gè)維度對工業(yè)4．0進(jìn)行了框架描述，代表了德國對工業(yè)4．0所進(jìn)行的全局式思考。有了這個(gè)模型，各個(gè)企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個(gè)體系中尋找到自己的位置。這是一股前所未有的洪流交融，萬物、人機(jī)、軟硬、虛實(shí)都要連接，需要一種全新的通訊觀，才能實(shí)現(xiàn)這種集成。從國外的工業(yè)巨頭如西門子的實(shí)踐來看，基本是按照這樣的通訊框架進(jìn)行全域構(gòu)建。
工業(yè)4．0架構(gòu)RAMI與通訊
（來源：弗勞恩霍夫IOSB－INA和VDMA共同出版的《工業(yè)4．0通信指南》）
然而，通訊作為工業(yè)4．0系統(tǒng)中至關(guān)重要的子系統(tǒng)，并不是只需要完成通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能就可以——這很容易被誤解是唯一重要的點(diǎn)。更大的挑戰(zhàn)是，把通訊要求所涵蓋的所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫的集成。這些網(wǎng)絡(luò)包括從有嚴(yán)格確定性要求的就地控制網(wǎng)絡(luò)，到工廠內(nèi)部的運(yùn)行操作管理網(wǎng)絡(luò)，到企業(yè)生產(chǎn)的計(jì)劃調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，并延伸到全球連接的跨企業(yè)的通信，以及基于網(wǎng)絡(luò)通信的自組態(tài)和各類網(wǎng)絡(luò)管理的集成。同時(shí)，需要制定不同以往的升級遷移、集成和維護(hù)，考慮與上下游企業(yè)的關(guān)聯(lián)和連接可能性等復(fù)雜的實(shí)時(shí)策略。
要從底層的傳感器傳遞到云端，數(shù)據(jù)需要有多樣化的路徑。從廠房地板，到企業(yè)高管天花板，一路穿越的網(wǎng)絡(luò)和連接管道的數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)通訊的無縫集成，將成為一個(gè)最大的現(xiàn)場挑戰(zhàn)。
工業(yè)4．0正在呼喚一個(gè)全新的通訊局面，OPC UA和TSN應(yīng)聲而出。
數(shù)字化工廠的通訊贏家
以往，工廠到處都是機(jī)器，它們挨著多年，但生成的信息卻相互隔離，很少“交談”，也很少被利用。然而在離散型工廠或過程自動化工廠中，信息交流有各種不同的流量類型和傳輸要求。自動化控制設(shè)備與工廠級系統(tǒng)和應(yīng)用之間存在垂直通訊需求，而從控制器到控制器、從控制器到現(xiàn)場設(shè)備（例如執(zhí)行器、傳感器和驅(qū)動器）、輸入和輸出等則有水平通訊需求。以往，各種類型的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)支持這些不同的通訊需求，從而將流量劃分到各個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)上。這種數(shù)據(jù)“各自為政”的數(shù)據(jù)治理局面的形成固然有其歷史的必然性，可是當(dāng)前卻正在成為制約萬物互聯(lián)的“枷鎖”。
作為一種打造萬國設(shè)備的工廠級世界語，OPC UA出現(xiàn)了。
近幾年來， 開放平臺通訊統(tǒng)一架構(gòu)OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展速度很快，一路領(lǐng)跑。2017年底，德國機(jī)械制造協(xié)會VDMA與弗勞恩霍夫IOSB發(fā)布了針對中小型機(jī)械制造企業(yè)如何導(dǎo)入OPC UA及其策略的導(dǎo)則。導(dǎo)則明確的強(qiáng)調(diào)，OPC UA不是自動化實(shí)時(shí)通訊的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而是一種為目前尚處于信息孤島的設(shè)備之間建立附加通訊通道的工具， 為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機(jī)械設(shè)備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通訊方式。
OPC UA不是來取代現(xiàn)有的通訊協(xié)議，而是實(shí)現(xiàn)通訊進(jìn)行統(tǒng)一對話的工具。換言之，這次來的不是搶地盤的，而是勸和使者。更重要的是，它是將設(shè)備從灰暗地帶、甚至是至暗角落，帶向一個(gè)高光時(shí)刻。
從傳感器到設(shè)備、到云端，那是一路兇險(xiǎn)的火焰山。取經(jīng)途中需要解決的問題包括：統(tǒng)一的語義（各種通關(guān)文牒）、實(shí)時(shí)（跑得快）、大數(shù)據(jù)量傳遞（個(gè)子大）、海量并發(fā)（擁擠）、異構(gòu)數(shù)據(jù)（不同膚色）。OPC UA作為一種面向服務(wù)的架構(gòu)SOA，為機(jī)械數(shù)據(jù)（諸如設(shè)備描述、測量數(shù)值、參數(shù)和控制變量）信息交換的標(biāo)準(zhǔn)化，成為西天取經(jīng)的重要法寶。然而它只解決了上層問題，對于底層紛至沓來的數(shù)據(jù)，如同從山谷里殺出多個(gè)兵種的千軍萬馬，網(wǎng)絡(luò)體系如何招架？
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN開始登場，它專門針對不同數(shù)據(jù)響應(yīng)速度要求的特點(diǎn)，提供了一種網(wǎng)絡(luò)彈性的保障機(jī)制。例如，在現(xiàn)代工廠控制中，既有大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的通訊與控制，也有許多監(jiān)視器的監(jiān)測，以及各種無線數(shù)據(jù)，使得現(xiàn)場的數(shù)據(jù)形成了擁擠的跑道，充滿了大量結(jié)構(gòu)化實(shí)時(shí)信息和非結(jié)構(gòu)化信息（如音頻、視頻流）等各種不同類型的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)同步的精度要求比較高。在控制器之間進(jìn)行通訊時(shí)，可以利用TSN的功能按信息傳輸?shù)膬?yōu)先級加以協(xié)調(diào)，從而在復(fù)雜的現(xiàn)場情況下保障各種通訊的協(xié)調(diào)一致性。
各種數(shù)據(jù)擠上跑道
可以說，TSN搭建了一個(gè)數(shù)字世界的龜兔賽跑的新場地。這種龜兔同賽道的規(guī)則，不再是誰快誰慢，工業(yè)機(jī)器人維修，而是承認(rèn)數(shù)據(jù)多樣性的一種理性選擇。
目前，TSN已達(dá)到了實(shí)用所需的技術(shù)成熟度，具有TSN功能的網(wǎng)絡(luò)組件、通訊處理器、軟件和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)都已經(jīng)面世。其實(shí)，TSN也并非全新的技術(shù)，其來源于AVB（Audio Video Bridging）音視頻橋接，是由AVnu聯(lián)盟組織所倡導(dǎo)開發(fā)的協(xié)議。AVB協(xié)議是為保障實(shí)現(xiàn)音頻和視頻數(shù)據(jù)提供時(shí)間同步的、低延遲的和保證帶寬預(yù)留的流媒體功能。TSN是AVB的進(jìn)化版，在原有規(guī)格的基礎(chǔ)上擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的范圍、功能和應(yīng)用程序。在2017年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）和Avnu聯(lián)盟宣布聯(lián)手，共同推動TSN開放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的部署。這也意味著TSN正在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛認(rèn)可。
這樣一來，OPC UA在上層，而TSN主要在下層，二者構(gòu)成了地板與天花板之間的相互呼應(yīng)。
基于TSN強(qiáng)化工業(yè)通訊（來源：西門子）
TSN增強(qiáng)了以太網(wǎng)的功能，也使得其更適合于工業(yè)應(yīng)用。即使在高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，TSN也能在機(jī)器和工廠之間實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大和可靠的以太網(wǎng)通訊。這種可靠性使得汽車、機(jī)械工程等行業(yè)的自動化應(yīng)用擁有顯著優(yōu)勢。
5G工廠的數(shù)據(jù)觀
OPC UA是在作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上作為應(yīng)用層的協(xié)議，而TSN則是為了改進(jìn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。目前工廠里的以太網(wǎng)可以是有線的，也可以是無線的。目前大部分的OPC UA均運(yùn)行在有線以太網(wǎng)中。然而，對于萬眾矚目的5G，作為無線通信的基本載體，正在引起工業(yè)領(lǐng)域的全新興趣。