弗劳恩霍夫发布开源实现的OPC UA和TSN项目

导读：弗劳恩霍夫Julius Pfrommer在一份数字孪生体主题报告中，撰写了一篇利用开源方式实现的OPC UA和TSN的文章。工业4.0研究院翻译全文，供行业人士参考。

弗劳恩霍夫IOSB开发了世界上第一个通过开源实现的OPC UA发布/订阅，并结合了时间敏感网络（TSN，Time Sensative Networking）展示它的实时能力。IOSB团队证明，实时发布的服务器和非实时标准的OPC UA服务器可以共存于同一设备中，而且不会因为访问共享的信息模型而失去实时能力。

迄今为止，现场总线一直是自动化系统中实时通信的主导技术。现场总线定义了循环数据交换的特定报文格式。OPC UA并不是现场总线，而是基于TCP/IP的客户端/服务器协议，它定义了通过网络与服务器端信息模型交互的服务调用。

2018世界嵌入式系统大会展示的TSN和OPC UA开源项目

OPC UA新规范的第14部分则定义了基于发布/订阅通信范式的OPC UA通信增强。

在发布/订阅中，订阅者注册一个主题（也称为话题或队列），并接受有关该主题的所有消息。因此，已发布的消息将分发给大量的潜在订阅者。

规范第14部分设计根据IEC标准AMQP和MQTT基于代理的消息分发。

此外，它还基于IP标准的多播机制定义了一种基于UDP的定制化分发协议，称为UADP。使用多播时，订阅者在一个群组中注册，这个组由一个特定范围内的IP地址表示。发送到该地址的数据包将转发给群组的所有成员。

因此，发布/订阅机制最复杂的主要部分就被委托给现有的网络基础设施了（例如路由器、交换机等。已发布消息的内容则由所谓的数据集来定义：来自OPC UA信息模型的选定元素的当前值的集合。

在这方面，OPC UA发布/订阅返回报文格式的定义。但与此相反，数据组可以在运行时灵活配置，可以在服务器中查找此定义，以便根据OPC UA信息模型中的来源去理解该值的语义含义。

近年来，在IEEE 802.1标准系列中，以太网的实时通信是以时间敏感网络的名义推进的。未来TSN标准的某些部分已经被采用，例如IEEE 802.1AS参与者的时钟同步，以及通过IEEE 802.1Qbv中的时隙保留传输容量。这就实现了与常规以太网操作并行的实时通信。

OPC UA的一个缺点是由于传输层使用了TCP/IP协议而缺乏实时性保障，与TSN的集成，则使得OPC UA发布/订阅模式成为客户端/服务器交互的理想组合，并且能够提供额外的端到端实时保障。

弗劳恩霍夫IOSB与开源自动化开发实验室（OSADL），以及嵌入式应用系统集成商Kalycito Infotech，共同启动了一个开发OPC UA发布/订阅的项目。

这项工作是基于OPC UA标准IEC 62541的open62541开源实现，open62541使用C语言开发，可以用于资源受限的嵌入式应用程序。来自OSADL的五家自动化行业的成员企业正在联合资助这个项目。

该项目的第一个成果在2018世界嵌入式系统大会上进行了展示。

当前，与TSN硬件的集成取决于特定供应商专有的接口和配置工具。尽管如此，OPC UA大部分的发布/订阅实现都是可重用的，并且已经被折回到open62541项目中。

弗劳恩霍夫IOSB发布/订阅项目实现的关键特性是把实时发布服务器与非实时普通OPC UA服务器连接起来。尽管普通服务器和实时发布器都与同一信息模型进行交互，但前者的任何活动都不得延迟后者。

IOSB团队使用了一个OPC UA信息模型的特殊表示来实现这一点——信息模型中的每个节点都是不可变的，并且不可修改，只能使用修改后的副本替换整个节点。这种替换使用原子操作，因此无需使用信号量就可以并行访问信息模型。

接下来，打断时间控制硬件可以触发消息发布的生成，并且信息模型在中断的时候不能处于不一致状态。因此，TSN的实时操作和灵活的最优操作可以在同一个设备中协同作业。

这是工业4.0主要思想的一个重要基础——灵活地连接自动化系统，在运行时执行额外的配置，并将运行控制与高阶功能及服务集成在一起。