[發明專利]一種基于TSN網絡和OPC UA架構的確定性通信系統

在審

• 申請號: 202010877232.0
• 申請日: 2020-08-27
• 公開（公告）號: CN111970212A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 羅志勇;黃典典;王耀;何禹辰
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04L12/851
• 分類號: H04L12/851;H04L29/08
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

本發明請求保護一種基于TSN網絡和OPC UA架構的確定性通信系統，其特征在于，包括：嵌入式OPC UA服務器、TSN時間敏感網絡及OPC UA客戶端，其中，嵌入式OPC UA服務器用于負責連接工業現場的設備、機器、傳感器；TSN時間敏感網絡用于作為整個系統的通信載體；OPC UA客戶端用于讀取現場級數據、操作設備，為上層應用提供數據和操作功能。本發明將OPC UA嵌入式服務器與TSN網絡結合起來實現。這樣即兼容了OPC UA強大的面向對象的信息模型來描述語義豐富的系統，實現復雜工業現場的數據互通，又通過IEEE TSN的網絡在聯網中提供可靠的確定性，實現端到端的實時傳輸數據。

技術領域

本發明屬于工業網絡領域，具體涉及一種使用時間敏感網絡和OPC UA架構確保工業通信中關鍵負載的確定性通信和兼容普通的非確定性通信，以及實現工業現場網絡中各種不同設備、應用的數據互通。

背景技術

隨著智能制造的逐步發展，物聯網、大數據、云計算等技術在工業中越來越受到重視和使用，工業數據越來越體現“數據即資產”這一重要的產業趨勢。與此同時，工業物聯網和工業4.0的新范例推動了經典的自動化金字塔，即使用統一的標準和與供應商無關的標準來簡化集成和維護。為此，需要一種新的通信方法，這種新的通信方法應使用標準化的信息語義，并超越現場總線定義的傳輸層機制。

OPC UA代表開放平臺通信和統一體系結構，是基于TCP/IP用于工業通信的客戶端-服務器協議，它已被標準化為IEC62541。OPC UA服務器提供對數據和功能的訪問，這些數據和功能是在面向對象的信息模型中構造的。OPC UA廣泛用于自動化中靈活盡力(best-effort)的通信。對于許多應用實例，OPC UA已經取代了其前身(以Microsoft Windows為中心的OPC Classic，以及許多特定供應商的協議)成為工業應用中與供應商無關的靈活通信的主要競爭者。隨著OPC基金會推動標準的不斷改進，伴隨規范的發展，OPC UA逐漸滿足跨供應商、應用程序域、自動化層次結構實現統一的標準化和安全通信的相關要求。雖然OPCUA支持不同類型的設備、不兼容的協議和接口但OPCUA基于傳統的以太網通信，無法提供可靠的確定性，以實現實時傳輸數據。而對于一些對時間因素特別敏感的應用來說，例如控制信號傳輸，確定性意味著整個系統的可行與可靠，也決定了系統的安全可控。

以太網自上世紀70年代誕生以來，由于以太網簡單的網絡連接機制、開放性、低成本、不斷提高的使用帶寬以及可擴展性和兼容性，以太網技術作為鏈路層連接標準在通行網絡中得到了廣泛的應用。但傳統的以太網由于早期使用的局限性，本質上設計為是一個可共享的傳輸介質，當來自不同發送終端的流量數據在網絡中同一個交換設備或路由設備上匯集轉發時，必須按照發送目標端口在對應的隊列中按照標準的先進先出的原則進行排隊等待發送，產生的時間延遲由等待隊列的長度確定，而等待隊列的長度由網絡中流量的變化決定。一旦網絡中由于接入負載過多造成流量激增，就會出現網絡擁塞，交換設備和路由設備中的排隊時間便根本無法預測。傳統以太網由于其機制無法精確控制端到端的時延，面對確定性通信業務的迫切需求，如何從“盡力而為”到“準時、準確”地控制端到端的時延對以太網提出了新的挑戰。

雖然在工業領域，出現了通過擴展以太網提供初步的確定性解決方案，如PROFINET(process fieldnet)、EthernetCAT(ethernet controlautomationtechnology)、TTEthernet(time-triggeredethernet)，HaRTES(the hard realtime switcharchitecture)等。這些擴展以太網技術都基于傳統的以太網提供了確定性的實時屬性，并且可以在同一介質上傳輸實時和非實時流量，但由于這些擴展技術由不同供應商提供，具備各自的專有機制，它們之間并不能兼容運行且不能與標準以太網設備集成，很難滿足工業網絡上的實時確定性要求，這大大制約了實時以太網的進一步發展。并且，這些技術隸屬于不同的組織或公司，彼此之間對于數據的解析和網絡中協議都存在差異，根本無法實現跨供應商、應用程序、自動化層次結構實現統一、標準的數據互通訪問。

發明內容