使用OPCUA的工业网络的建模与管理的制作方法

使用opcua的工业网络的建模与管理
1.相关申请的交叉引用
2.本专利申请要求2021年5月18日提交的题为“使用opcua的工业网络的建模和管理”的美国临时申请号63/190221和2021年5月19日提交的题为“使用opcua的工业网络的建模和管理”的美国临时申请号63/190776的优先权，并在此引入作为参考。


背景技术：

3.通信网络(或简称网络)能够实现例如计算机之间、计算机和外围设备以及其他设备之间的数据通信。不同的域对数据通信有不同的要求。例如，在工业领域，物理过程具有严格的时序要求，出于安全和其他原因，需要对其进行控制和监控。举高速奶酪切片系统为示例，其中自动刀片切过由电机驱动的奶酪块进给器向前推动的奶酪块。奶酪块进给器需要前进的量由扫描系统确定，扫描系统分析奶酪块中的孔。为了使干酪切片系统生产大约相同重量的奶酪切片，刀片的运动必须与奶酪块的运动同步。在这个系统中，即使是很小的延迟(无论是处理还是网络延迟)也可能意味着重量不均匀的奶酪切片，从而导致浪费和生产力损失。同样，在汽车领域，支持安全特征(例如自动制动)和自动驾驶的安全关键应用对通信也有严格的时序要求。系统中任何原因不明的延迟都会产生严重的安全隐患。
4.在工业、汽车和许多其他领域，越来越希望将以太网技术用于网络主干和整个网络，以支持物联网(iot)/工业物联网(iiot)连接，从而受益于远程监控和管理、集中分析等。以太网最好从工业传感器一直延伸到现场云，存在时提供统一的标准化方法，消除对专有解决方案的需求，提高互操作性，并降低网络安装和运营成本。然而，以太网标准无法保证关键数据能够通过网络从设备a及时传输到设备b，而这是工业和汽车应用的关键要求。时间敏感网络(tsn)提供完全确定的以太网流量实时传输，是一种能够满足工业、汽车和其他时间关键型应用需求的解决方案。
5.然而，tsn的引入会导致网络管理和监控变得甚至更加复杂。这是因为当今的工业网络是使用采用snmp-mib和netconf-yang的it工具和协议来管理和监控的。snmp(简单网络管理协议)使用称为smi(结构化管理信息)的数据建模语言，并将数据存储在mib(管理信息库)中，而netconf使用yang数据建模语言。另一方面，许多(如果不是大多数的话)通过这些网络通信的工业系统、设备和装置采用opcua(开放平台通信联合架构)。opcua是通常用于工业(例如机器对机器、pc对机器等)通信的数据交换标准。因此，将opcua扩展到当前的snmp-mib和netconf-yang网络管理域将是有益的。将已经存在的网络管理协议的数据以及snmp-mib和netconf-yang的数据模型转换成opcua模型，同时用工业本体扩展它们，将带来降低的系统复杂性以及系统设计和操作的简易性。


技术实现要素：

6.本公开的实施例涉及用于将opcua的能力扩展到使用netconf-yang和snmp-mib协议配置和管理的网络设备的系统和方法。opcua的扩展将允许在网络通信中以与mib或yang相同的方式描述这些网络设备。在一些实施例中，系统和方法提供了集中式用户配置
(cuc),其配置为请求工业网络上的tsn连接，cuc包括在其中的opcua模型。cuc与连接到工业网络的基于opcua的工业控制器和连接到工业网络的基于opcua的工业设备交互并对其进行配置，以确定tsn连接所需的tsn参数。系统和方法还提供了集中式网络控制器(cnc),其配置为根据cuc的请求在工业网络上提供tsn连接。在一些实施例中，cnc包括在其中的opcua模型。可替代地，cuc可以将tsn参数从opcua参数转换为cnc的yang-mib参数。
7.一般而言，在一方面，本公开的实施例涉及在其上实现opcua的具有tsn能力的工业网络。工业网络尤其包括经由工业控制器中的控制器交换机连接到工业网络的基于opcua的工业控制器，以及经由工业设备中的设备交换机连接到工业网络的基于opcua的工业设备。工业网络还包括连接到工业网络的cuc，cuc中具有opcua模型，cuc可操作成与基于opcua的工业控制器和基于opcua的工业设备交互，以确定在它们之间提供tsn连接所需的一个或多个tsn参数。cuc还可操作成将一个或多个tsn参数从cuc传输到工业网络上的集中式网络控制器(cnc),以请求提供tsn连接。
8.总的来说，在另一方面，本公开的实施例涉及一种在具有tsn能力的工业网络上实现opcua的方法。该方法尤其包括经由工业控制器中的控制器交换机将基于opcua的工业控制器连接到工业网络，以及经由工业设备中的设备交换机将基于opcua的工业设备连接到工业网络。该方法还包括将cuc连接到工业网络，cuc中具有opcua模型，并且操作cuc以与基于opcua的工业控制器和基于opcua的工业设备交互，从而确定在它们之间提供tsn连接所需的一个或多个tsn参数。该方法还包括将一个或多个tsn参数从cuc传输到工业网络上的集中式网络控制器(cnc),以请求提供tsn连接。
9.总的来说，在又一方面，本公开的实施例涉及一种其上存储计算机可读指令用于在具有tsn能力的工业网络上实现opcua的非暂时性计算机可读介质。当由一个或多个处理器执行时，计算机可读指令使计算机执行经由工业控制器中的控制器交换机将基于opcua的工业控制器连接到工业网络，以及经由工业设备中的设备交换机将基于opcua的工业设备连接到工业网络的过程。当由一个或多个处理器执行时，计算机可读指令还使一个或多个处理器执行将cuc连接到工业网络的过程，cuc中具有opcua模型，操作cuc与基于opcua的工业控制器和基于opcua的工业设备交互，以确定在它们之间提供tsn连接所需的一个或多个tsn参数。当由一个或多个处理器执行时，计算机可读指令还使一个或多个处理器执行操作cuc以将一个或多个tsn参数传输到工业网络上的cnc以请求提供tsn连接的过程。
10.根据前述实施例中的任何一个或多个，cnc是基于netconf/snmp的cnc，并且cuc将tsn参数从opcua参数转换成yang/mib参数。
11.根据前述实施例中的任何一个或多个，cnc是基于netconf/snmp的cnc，其中具有opcua模型，并且tsn参数由cnc从opcua参数转换成yang/mib参数。
12.根据前述实施例中的任何一个或多个，tsn参数由基于opcua的工业控制器和/或基于opcua的工业设备从opcua参数转换成yang/mib参数。
13.根据前述实施例中的任何一个或多个，网络交换机连接到工业网络，其中网络交换机具有在其中的opcua模型。
14.根据前述实施例中的任何一个或多个，使用一个或多个工程工具来配置cuc，该一个或多个工程工具中具有opcua模型。
15.根据任何一个或多个前述实施例，cuc和cnc在工业网络上实现为：分布式系统，其
中cnc和cuc分布在工业网络上的多个部件和设备上；基于云的系统，其中cnc和cuc驻留在云计算环境中；集成系统，其中cnc和cuc集成到基于opcua的工业控制器和/或基于opcua的工业设备中，并且cuc和cnc直接控制工业控制器和/或工业设备；融合系统，其中cnc和cuc结合成单个装置；或者用于配置工业网络的一个或多个工程工具。
附图说明
16.图1是示出根据本公开的一些实施例的示例性具有tsn能力的opcua工业系统的功能框图。
17.图2是示出根据本公开的一些实施例的替代的具有tsn能力的opcua工业系统的功能框图。
18.图3是示出根据本公开的一些实施例的又一替代的具有tsn能力的opcua工业系统的功能框图。
19.图4是示出根据本公开的一些实施例的又一替代的具有tsn能力的opcua工业系统的功能框图。
20.图5是示出根据本公开的一些实施例的又一替代的具有tsn能力的opcua工业系统的功能框图。
21.图6是示出根据本公开的一些实施例的示例性cnc opcua模型的功能框图。
22.图7是示出根据本公开的一些实施例的ieee参数到opcua参数的示例性映射的tsn参数映射。
23.图8是示出根据本公开的一些实施例的在具有tsn能力的网络中实现opcua的方法的流程图。
24.图9是可用于实现本公开的各种实施例的通用计算机系统的功能框图。
25.图10是可用于实现本公开的各种实施例的通用存储系统的功能框图。
具体实施方式
26.本说明书和附图说明了本公开的示例性实施例，并且不应被视为限制，权利要求限定了本公开的范围，包括等同物。在不脱离本说明书和权利要求书(包括等同物)的范围的情况下，可以进行各种机械的、构成的、结构的、电气的和操作的改变。在一些情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构和技术，以免混淆本公开。此外，参考一个实施例详细描述的元件及其相关方面可以包括在没有具体示出或描述它们的其他实施例中(只要可行)。例如，如果参考一个实施例详细描述了一元素，而没有参考第二实施例描述，则该元素仍可被要求包括在第二实施例中。
27.如上所述，netconf-yang和snmp-mib协议提供了管理工业网络的ieee标准化方法。因此，他们将这些协议的实现强加到使用这些协议的工业设备中。随着cnc(集中式网络控制器)网络控制器的引入，tsn带来了进一步的发展，cnc也使用netconf-yang。这些概念又必须在opcua/tsn发布-订阅(pub-sub)工业解决方案中实现，这可能是昂贵、复杂和耗时的。但是opcua已经能够建模任何工业设备，并且已经具备成功运行的所有必要特性。因此，以mib或yang使用opcua的特征、兼容性和安全性所做的相同方式来扩展opcua的能力以描述网络设备将是有益的。这将带来更简单的工业系统。
28.此外，opcua为设备/实体提供了引用其他opcua信息模型实体的能力，即创建到其他实体的链接。当opcua部署到cnc时，这种能力可以作为浏览网络的附加特征。例如，当两个交换机的通信端口连接时，可以使用opcua对象来形成链接，以连接来自两个交换机的端口模型，并且该对象还可以与描述连接特性的连接信息链接，例如电缆长度(如果这种特征可用的话)，或者每个端口的tas表。因此，当将yang/mib映射到opcua时，可以扩展映射以使浏览信息更容易。自然地，随着浏览的方便，计算和诊断也变得容易。在完全opcua域中，这种浏览是天生的，因为工程工具将能够使用opcua网络信息来描述预期的网络，并且cnc的opcua信息模型可被比较以验证网络。
29.因此，本公开的实施例提供了用于将opcua扩展到使用netconf-yang和snmp-mib协议配置和管理的网络设备的系统和方法。opcua的扩展将允许以与mib或yang相同的方式描述这些网络设备。在一些实施例中，所公开的用于扩展opcua的系统和方法尤其提供了以下的一个或多个或者全部：
30.(a)yang/mib到opcua网络信息模型转换器，它从现有的mib和yang模型中生成opcua地址空间，并使其可使用opcua特征来管理。
31.(b)实现(a)中的地址空间并消除实现yang和mib的明确需要，同时保留使用netconf或snmp进行数据交换的选项的桥和桥接终端站。这将减少设备消耗的地址空间和需要维护的技术特征的数量。
32.(c)工程工具(本地的或基于云的),实现(a)能够使用opcua统一协议发现整个网络基础设施，而不明确需要实现网络特定协议。
33.(d)cuc(集中式用户配置)和tsn的cnc实体执行(a)使得责任的执行和分配能够更容易。
34.(e)使用opcua的工业应用设计者将直接影响和决定如何在运行期间管理和控制网络基础设施。
35.(f)分布式工业应用(iec61499),其可在运行时访问网络基础设施，因此具有关于工作量部署的决策能力(iec61499模型有自己的opcua模型和地址空间)。
36.(g)使用opcua特征创建的聚合网络设备，因此可以容易地描述网络分段。
37.(h)使用相同信息和opcua协议来维护和诊断网络问题的诊断工具。
38.现在参考图1，示出了在工厂、车间、装配线和需要时间关键的确定性通信和功能的其他设施中使用的类型的具有tsn能力的工业系统100的示例的功能框图。工业系统100是这样的系统，其中工业控制器102用于自动控制至少一个工业设备104的操作，以在设施中执行工业功能。例如，工业控制器102可以是能够同时控制多个设备的电机控制器，并且至少一个工业设备104可以是能够由工业控制器102控制以操作例如用于自动切片奶酪的奶酪刀片的电机，如上所述。诸如以太网的网络101为消息在工业控制器102和工业设备104以及工业系统100中的其他设备之间的传播提供信号路径。
39.在图1的示例中，示例性具有tsn能力的工业系统100包含两个不同的配置域，即设备配置域106和网络配置域108。设备配置域106提供配置工业控制器102与至少一个工业设备104通信的方式的能力，反之亦然。网络配置域108提供配置工业控制器102和工业设备104通过网络101实时或接近实时地相互发送和接收消息的方式的能力。
40.在工业系统100中实现的特定设备配置域106是基于opcua的设备配置域106，其中
opcua模型136，其执行从cuc134接收到的所请求的opcua连接到cnc116的转换或映射。
46.配置和设置工业控制器102、工业设备104和/或cuc134可能需要的一组工程工具138内的任何网络工具，如其间的箭头所示，也配备有工程工具opcua模型140。工程工具opcua模型140便于将工程工具138的连接请求分别映射到工业控制器102和工业设备10的opcua服务器126和opcua客户端128。工程工具138(其可以是本地的或基于云的)中的opcua模型140的实现使得可以使用opcua统一协议发现整个网络基础设施，而不明确需要实现网络特定协议。这种工程工具138的使用为工业应用设计者提供了在运行期间如何管理和控制网络基础设施的直接影响和决策能力。同样，网络诊断工具将能够使用相同的信息和opcua协议来维护和诊断网络问题。
47.从上述工业系统100中可以看出，设备配置域106和网络配置域108是分离的并且彼此不同。因此，在一些实施例中，提供了opcua到netconf-yang映射部件来执行opcua和netconf-yang之间的映射或转换。因此，在工业控制器102中提供控制器opcua到netconf-yang映射部件142，以执行opcua服务器126和控制器交换机112之间的映射。类似地，在工业设备104中提供设备opcua到netconf-yang映射部件144，以执行opcua客户端128和设备交换机114之间的映射。这些opcua到netconf-yang映射部件142、144中的每个提供它们各自的opcua连接130、132和由控制器交换机112提供的tsn流144以及由设备114提供的类似tsn流146之间的映射。网络交换机110在其中提供类似的tsn流150。
48.然而，opcua到netconf-yang映射部件142、144的实现可能是冗长且耗时的。因此，在一些实施例中，不是分别在工业控制器102和工业设备104中提供opcua到netconf-yang映射部件142、144，而是可以提供改进类型的cnc，其包括直接在cnc本身内的cnc opcua模型。这种布置消除了在上述各种交换机110、112、114内提供netconf-yang或snmp-mib模块或部件的需要。应当注意，只有当不需要网络管理协议时，交换机中才需要相同的opcua模型。
49.图2是示出实现上述改进的cnc的示例性具有tsn能力的工业系统200的功能框图。可以看出，工业系统200类似于图1的具有tsn能力的工业系统100，因为标有200系列编号的元件类似于图1中标有100系列编号的对应元件。因此，存在工业控制器202，其用于自动控制至少一个工业设备204的操作，以在设施中执行工业功能。诸如以太网之类的网络201为消息在工业控制器202和工业设备204以及网络201上的其他设备之间传播提供信号路径。网络201包括一个或多个网络交换机210，用于在工业控制器202和工业设备204之间提供tsn流250。如图所示，工业控制器202类似地包括用于提供其相应tsn流246的控制器交换机212，并且工业设备204类似地包括用于提供其相应tsn流248的设备交换机214。
50.还有两个不同的配置域，即基于opcua的设备配置域206，其中opcua用作在工业控制器202和至少一个工业设备204之间交换数据的协议，以及配置域208，其可以是基于netconf-yang或snmp-mib的网络配置域208。这些网络控制协议中的任何一个都能够管理具有tsn能力的网络，这是工业系统200所需的实时或接近实时的消息传递所需要的。
51.cnc216再次用于配置网络交换机210，如其间的箭头所示，以基于发送和接收消息的设备的类型，提供通过网络交换机210路由消息的方式。cnc216包括yang或mib模型218，网络交换机210包括yang或mib模型220。工业控制器202包括opcua服务器226，其配置为向至少一个工业设备204发布/发送或订阅/接收opcua消息，并且每个工业设备204包括可以
订阅/接收或发布/发送来自工业控制器202的opcua消息的opcua客户端228。opcua服务器226内的控制器opcua连接230和opcua客户端228内的设备opcua连接232允许opcua服务器226和opcua客户端228相互通信以及与网络上的其他设备通信。
52.cuc234再次出现以提供opcua连接配置，该配置携带在网络交换机210、控制器交换机212和设备交换机214内提供tsn流所需的参数。cuc234包括cuc opcua模型236，其执行从cuc 234接收到的请求的opcua连接到cnc216的转换或映射。配置和设置工业控制器202、工业设备204和/或cuc234可能需要的一组工程工具238内的任何网络工具，如其间的箭头所示，也配备有工程工具opcua模型240。
53.然而，图2中的cnc216是改进的cnc，其包括直接在cnc自身内的cnc opcua模型252。该cnc opcua模型252允许cnc216直接配置控制器交换机212和设备交换机214，而不需要yang模型或mib模型。这样，交换机212、214不需要用yang模型或mib模型来实现或描述，这又允许工业控制器202和工业设备204在没有图1的opcua到netconf-yang映射部件的情况下实现。从cuc234发送到cnc216的opcua连接然后由cnc opcua模型252通过cnc216内的yang模型或mib模型202为网络交换机210转换和映射。这导致了在像工业系统200这样的具有tsn能力的工业系统上实现opcua的更加容易和成本有效的方式。
54.应当理解，当模型在此被描述为存在于设备、交换机或其他部件中时，支持该模型的协议也在设备、交换机或其他部件中可用。组合或混合具有不同模型和协议的设备通常需要实现一个或多个部件，这些部件可以执行不同模型和协议之间的转换，如上面参考图1所讨论的。当混合使用不同协议的设备时，情况尤其如此，因为出于向后兼容的目的，需要继续使用一些模型部件。例如，在图1的示例中，需要转换器来执行从netconf-yang到opcua的转换，该转换可以将传统设备链接到全功能opcua域。因此，一般而言，所有控制设备(例如cuc、cnc)工程工具、控制器(例如plc、dcs、边缘控制器等)、受控设备(例如i/o、驱动器、摄像机、传感器等)、交换机(例如桥、路由器、无线接入点等)，并且所有网络参与部件将需要理解和实现opcua协议及其模型到它们可用的程度。
55.现在转到图3，可以看到实现改进的cnc的另一示例性具有tsn能力的工业系统300的功能框图，如316所示。工业系统300再次类似于之前附图中的tsn工业系统，因为标记有300系列编号的元件类似于之前附图中的对应元件。因此，存在工业控制器302，其用于自动控制至少一个工业设备304的操作，以在设施中执行工业功能。诸如以太网之类的网络301为消息在工业控制器302和工业设备304以及网络301上的其他设备之间传播提供信号路径。网络301包括一个或多个网络交换机310，用于在工业控制器302和工业设备304之间提供tsn流350。如图所示，工业控制器302类似地包括用于提供其相应tsn流346的控制器交换机312，并且工业设备304类似地包括用于提供其相应tsn流348的设备交换机314。
56.cnc316再次用于配置网络交换机310，如其间的箭头所示，以提供一种基于发送和接收消息的设备类型通过网络交换机310路由消息的方式。工业控制器302包括opcua服务器326，其配置为向至少一个工业设备304发布/发送或订阅/接收opcua消息，并且每个工业设备304包括可以订阅/接收或发布/发送来自工业控制器302的opcua消息的opcua客户端328。opcua服务器326内的控制器opcua连接330和opcua客户端328内的设备opcua连接332允许opcua服务器326和opcua客户端328相互通信以及与网络上的其他设备通信。
57.cuc334再次出现以提供opcua连接配置，该配置携带在网络交换机310、控制器交
换机312和设备交换机314内提供tsn流所需的参数。cuc334包括cuc opcua模型336，其执行从cuc334接收到的请求的opcua连接到cnc316的转换或映射。如由其间的箭头所表示的，配置和设置工业控制器302、工业设备304和/或cuc334可能需要的一组工程工具338内的任何网络工具也配备有工程工具opcua模型340。
58.然而，工业系统300完全是基于opcua的，使得设备配置域和网络配置域形成单个opcua配置域，而不是如图1和2中的情况那样形成两个单独的域。特别地，cnc316不仅包括直接在其中的cnc opcua模型352，而且还可以在没有yang和/或mib模型的情况下实现。每个交换机310同样包括opcua模型354，其允许交换机由cnc316直接配置，而无需yang或mib模型，从而简化了cnc316和用于opcua的交换机354的实现。在这种布置中，可以使用opcua特征来创建聚合网络设备，并且因此易于使用地描述网络分段。此外，诊断工具可以使用相同的信息和opcua协议来维护和诊断网络问题。
59.在图3的示例中，工业系统300已经被实现为分布式系统，其中cnc和cuc功能已经分布在多个部件和设备上。cnc和cuc优选地但不是必须地使用更适合于cnc和cuc的分布的模型来分布，而不是根据iec61499(其更集中于工业应用的分布)来分布。这在概念上由356处的虚线轮廓表示。这种分布式布置为多个部件和设备提供了对网络基础设施的运行时访问，并因此提供了关于工作负载部署的决策能力。在其他实施例中，工业系统300可被实现为集成系统，其中cnc和cuc功能可被集成到工业设备中，然后cuc和cnc直接控制该设备，如358处的虚线轮廓所示。在其他实施例中，工业系统300可被实现为融合系统，其中cnc和cuc功能可被组合到单个装置中，如360处的虚线轮廓所示。在其他实施例中，可以将cnc和cuc功能结合到用于配置和设置工业系统300的工程工具中，如362处的虚线轮廓所示。
60.在其他实施例中，这里讨论的cnc和cuc功能有可能驻留在云计算环境中。例如，cnc和cuc功能的实例可以通过云容器进行虚拟化。另外，从云中下载的cnc和cuc功能的实例可以从网络301中的一个网络交换机310内运行，如虚线轮廓364所示。通常可用的“高端”或类似的网络交换机310通常包括处理器和存储设备，根据设计，这些设备需要具有足够的处理能力、数据吞吐量和存储空间来实现所公开的cnc和cuc功能。
61.图4是示出了实现改进的cnc的又一示例性具有tsn能力的工业系统400的功能框图，如416所示。工业系统400类似于图3中的tsn工业系统300，因为标有400系列编号的元件类似于图3中的对应元件。因此，存在工业控制器402，其用于自动控制至少一个工业设备404的操作，以在设施中执行工业功能。诸如以太网的网络401为消息在工业控制器402和工业设备404以及网络401上的其他设备之间的传播提供信号路径。网络401包括一个或多个网络交换机410，用于在工业控制器402和工业设备404之间提供tsn流450。如图所示，工业控制器402类似地包括用于提供其相应tsn流446的控制器交换机412，并且工业设备404类似地包括用于提供其相应tsn流448的设备交换机414。
62.cnc416再次用于配置网络交换机410，如其间的箭头所示，以提供一种基于发送和接收消息的设备类型通过网络交换机410路由消息的方式。工业控制器402包括opcua服务器426，其配置为向至少一个工业设备404发布/发送或订阅/接收opcua消息，并且每个工业设备404包括可以订阅/接收或发布/发送来自工业控制器402的opcua消息的opcua客户端428。opcua服务器426内的控制器opcua连接430和opcua客户端428内的设备opcua连接432允许opcua服务器426和opcua客户端428相互通信以及与网络上的其他设备通信。
63.cuc434再次出现以提供opcua连接配置，该配置携带在网络交换机410、控制器交换机412和设备交换机414内提供tsn流所需的参数。cuc434包括cuc opcua模型436，其执行从cuc434接收到的请求的opcua连接到cnc416的转换或映射。如其间的箭头所示，配置和设置工业控制器402、工业设备404和/或cuc434可能需要的一组工程工具438内的任何网络工具也配备有工程工具opcua模型440。
64.像图3中的工业系统一样，工业系统400已经被实现为分布式系统，其中cnc和cuc功能已经分布在多个部件和设备上。这再次由456处的虚线轮廓概念性地表示。在其他实施例中，工业系统400可以实现为集成系统，其中cnc和cuc功能可以集成到工业设备以及直接控制该设备的cuc和cnc中，如458处的虚线轮廓所示。在其他实施例中，工业系统400可被实现为融合系统，其中cnc和cuc功能可被组合到单个装置中，如460处的虚线轮廓所示。在其他实施例中，可以将cnc和cuc功能结合到用于配置和设置工业系统400的工程工具中，如462处的虚线轮廓所示。
65.和图3的示例一样，这里讨论的cnc和cuc功能有可能驻留在云计算环境中。例如，cnc和cuc功能的实例可以通过云容器来虚拟化。还可能从云中下载cnc和cuc功能的实例，以从网络401中的网络交换机410之一中运行，如虚线轮廓464所示。通常可用的“高端”或类似的网络交换机410通常包括处理器和存储设备，根据设计，这些设备需要具有足够的处理能力、数据吞吐量和存储空间来实现所公开的cnc和cuc功能。
66.在图4的示例中，改进的cnc 416再次包括cnc opcua模型452，其允许cnc416直接配置交换机410。此外，cnc opcua模型452允许cnc416直接配置具有opcua能力的工业设备，例如图2中的工业设备204。并且为了向后兼容的目的，改进的cnc416还包括类似于图1的yang/mib模型118的yang/mib模型418。yang/mib模型418允许cnc416直接配置类似于图1的工业设备104的预先存在的工业设备(通过那些设备104的交换机中预先存在的yang/mib模型)。来自图1的工业设备104和来自图2的工业设备204然后可以经由一个或多个桥和/或桥接终端站(通常在466处指示)被桥接到远程设备，像来自图3的至少一个设备304。这些桥和/或桥接终端站466实现了opcua模型中的地址空间，这消除了对实现yang和mib的明确需要，同时保留了使用netconf或snmp进行数据交换的选项。
67.接下来参考图5，示出了实现改进的cnc 516的又一示例性具有tsn能力的工业系统500的功能框图。工业系统500类似于图3和图4的tsn工业系统，因为标有500系列编号的元件类似于图3和图4中的对应元件。因此，存在工业控制器502，其用于自动控制至少一个工业设备504的操作，以在设施中执行工业功能。诸如以太网之类的网络501为消息在工业控制器502和工业设备504以及网络501上的其他设备之间传播提供信号路径。网络501包括一个或多个网络交换机510，用于在工业控制器502和工业设备504之间提供tsn流550。如图所示，工业控制器502类似地包括用于提供其相应tsn流546的控制器交换机512，并且工业设备504类似地包括用于提供其相应tsn流548的设备交换机514。
68.如前所述，工业控制器502包括opcua服务器526，其配置为向至少一个工业设备504发布/发送或订阅/接收opcua消息，并且每个工业设备504包括可以订阅/接收或发布/发送来自工业控制器502的opcua消息的opcua客户端528。opcua服务器526内的控制器opcua连接530和opcua客户端528内的设备opcua连接532允许opcua服务器526和opcua客户端528相互通信以及与网络上的其他设备通信。
69.同样如前所述，cuc534用于提供opcua连接配置，该配置携带提供tsn流所需的参数。cuc534包括cuc opcua模型536，其执行从cuc534接收到的请求的opcua连接到cnc516的转换或映射。如其间的箭头所示，配置和设置工业控制器502、工业设备504和/或cuc534可能需要的一组工程工具538内的任何网络工具也配备有工程工具opcua模型540。
70.图5中的改进的cnc 516包括cnc opcua模型552，其允许cnc516直接配置具有opcua能力的设备。然而，在该实施方式中，cnc 516已经与具有opcua能力的cuc534集成为独立交换机，如虚线560所示。独立交换机560当然应该具有足够的处理能力来提供cnc和cuc的能力。在一些实施例中，独立交换机560已经支持netconf-yang，并且因此对于预先存在的工业设备和基础设施具有向后兼容性。然而，为了这里公开的一个或多个实施例的目的，独立交换机560不必已经支持netconf-yang。
71.图6是示出示例性cnc opcua模型600的功能框图，该模型可以包括在例如图2的cnc216或图3的cnc316中。cnc opcua模型600由多个功能部件构成，包括opcua信息模型602、opcua地址空间604和通过tsn的opcua客户端/服务器/发布/订阅部件606。opcua信息模型602基本上是一组对象，可以用来创建建立在基本opcua类型之上的定制和复杂数据类型。一些opcua类型包括交换机类型、端口类型、tsn类型和许多其他类型。例如，opcua信息模型602可以用于定义第一控制器交换机608、控制器交换机1，具有三个端口即端口1、端口2和端口3。这些端口中的每个可以用于在网络(例如以太网)上提供tsn连接。设备交换机610如设备交换机2可以类似于控制器交换机来定义。opcua地址空间604允许使用对象的地址来识别和定位opcua信息模型602中的对象。至于通过tsn的客户端/服务器/发布/订阅部件606，顾名思义，该部件通过tsn的客户端/服务器/发布/订阅。
72.前述模型还提供了描述和管理交换机的功能、其特征及其操作的能力。配置完成后，还可以描述它们当前的通信路径(连接)，从而为cnc和具有直接访问能力的人员提供整个网络的详细视图。通过适当的诊断设施，包括计数器和事件，网络的质量可以由cnc、技术人员以及各种工业应用来监测和控制。
73.图7是根据本公开实施例的示例性tsn参数映射700，其可用于实现yang/mib到opcua网络信息模型转换器，该转换器从现有mib和yang模型生成opcua地址空间，并使用ieee联网参数到opcua联网参数的opcua特征转换而使其可管理。示例性转换器可以与这里讨论的执行从netconf-yang和snmp-mib协议到opcua的转换或映射的任何部件一起使用，反之亦然。这些部件包括任何工业控制器和工业设备(包括其中的opcua到netconf-yang映射部件)、cuc、cnc和网络交换机。出于经济目的，在该示例中仅映射了有限数量的参数，并且至少在一些实施例中，预计该映射将是手动过程。
74.在本示例中，在ieee std 802.1qcc-2018(条款46.2.3.6.2)中设置的usertonetworkrequirements组的maxlatency参数702被映射到opcua中的receiveqoslatencydatatype组的latencymax参数704。类似地，ieee(条款46.2.3.5)中的trafficspecification组706的多个参数被映射到opcua中的ieeebasetsntraffic组708中的它们的对应物。具体地，ieee(条款46.2.3.5.1)中的interval参数710被映射到opcua中的interval参数716，而ieee(条款46.2.3.5.2)中的maxframesperinterval参数712被映射到opcua中的maxframesinterval参数718，ieee(条款46.2.3.5.3)中的maxframesize参数714被映射到opcua中的maxframesize参数720。本领域的普通技术人员将理解，从这里公开
的教导可以得到更充分的参数图。
75.至此，已经示出和描述了许多具体实施例。现在在图8中跟随的是可用于实现这些各种实施例的一般方法。
76.参考图8，示出了根据本公开的各种实施例的用于在具有tsn能力的网络中实现opcua的方法的流程图800。该方法通常开始于802，其中为网络安装、实现或以其他方式配置了其中具有opcua模型的cuc。这种配置可以使用一个或多个或一组网络工程工具来完成，这些工具中也具有opcua模型。在804，cuc通过网络连接到工业控制器(例如电机控制器)和由控制器控制的至少一个工业设备(例如自动化奶酪刀片)并与之交互。工业控制器和设备(也称为tsn终端站)也是基于opcua的，因为控制器中具有opcua服务器，并且至少一个设备中具有opcua客户端。
77.在806，cuc确定工业控制器和工业设备所需的一个或多个tsn参数，以便控制器能够通过网络以时间关键的方式控制设备。这些tsn参数可以包括例如允许的最大延迟、允许的最大帧大小、允许的最大帧间隔等。在808，cuc将所需的tsn参数传送给网络的cnc，以根据所需的参数提供tsn连接。在一些实施例中，cnc可以是基于opcua的cnc，其中具有opcua模型，在这种情况下，不需要将tsn参数从cuc转换到cnc。另一方面，如果cnc是其中具有yang/mib模型的基于netconf/snmp的cnc，则作为在810的可选步骤，cuc使用例如关于图7描述的ieee参数到opcua参数的示例性映射来将tsn参数从opcua转换成yang/mib。
78.在任一情况下，在812，cnc然后与网络中的一个或多个交换机(或桥或继电器)通信并对其进行配置，以基于所需的tsn参数为控制器和至少一个设备提供tsn连接。此后，在816，控制器和至少一个设备开始通过所提供的tsn连接相互通信。在一些实施例中，取决于控制器和至少一个设备中是否存在基于yang/mib的交换机，控制器和至少一个设备可能需要将tsn参数从opcua转换成yang/mib，如814处可选地指示。
79.图9示出了可用于实现本公开的各种实施例的示例性计算系统。一般而言，在本公开的各种实施例中使用的任何通用计算机系统可以是例如通用计算机，诸如基于可从hewlett-advanced micro devices获得的处理器以及其他合适类型的处理器的通用计算机。这种计算机系统可以是物理的，也可以是虚拟的。
80.例如，本公开的各种实施例可被实现为在通用计算机系统900中执行的专用软件，如图9所示。计算机系统900可以包括连接到一个或多个存储器设备930的处理器920，存储器设备930诸如磁盘驱动器、存储器或用于存储数据的其他设备。存储器930通常用于在计算机系统900运行期间存储程序和数据。计算机系统900还可以包括提供附加存储容量的存储系统950。计算机系统900的部件可以通过互连机制940耦合，互连机制940可以包括一条或多条总线(例如集成在同一机器内的部件之间)和/或网络(例如驻留在单独的分立机器上的部件之间)。互连机制940使得通信(例如数据、指令)能够在系统900的系统部件之间交换。
81.计算机系统900还包括一个或多个输入设备910，例如键盘、鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏，以及一个或多个输出设备960，例如打印设备、显示屏、扬声器。此外，计算机系统900可以包含将计算机系统900连接到通信网络的一个或多个接口(未示出)(作为互连机制940的补充或替代)。
82.图10中更详细示出的存储系统950通常包括计算机可读和可写的非易失性记录介
质1010，其中存储了信号，该信号定义了将由处理器920执行的程序或者存储在介质1010上或中的将由程序处理的信息，以执行与本文描述的实施例相关的一个或多个功能。该介质例如可以是磁盘或闪存。通常，在操作中，处理器920使得数据从非易失性记录介质1010被读取到存储系统存储器1020中，存储系统存储器1020允许处理器比介质1010更快地访问信息。该存储系统存储器1020通常是易失性随机存取存储器，例如动态随机存取存储器(dram)或静态存储器(sram)。如图所示，该存储系统存储器1020可以位于存储系统950中，或者位于系统存储器930中。处理器920通常操纵存储器系统1020内的数据，然后在处理完成后将数据复制到介质1010。已知多种机制用于管理介质610和集成电路存储元件1020之间的数据移动，并且本公开不限于此。本公开不限于特定的存储器1020、存储器930或存储系统950。
83.计算机系统可以包括专门编程的专用硬件，例如专用集成电路(asic)。本公开的各方面可以用软件、硬件或固件或其任意组合来实现。此外，这些方法、动作、系统、系统元件及其部件可以作为上述计算机系统的一部分或作为独立部件来实现。
84.尽管计算机系统900作为示例被示为一种类型的计算机系统，在该计算机系统上可以实施本公开的各方面，但应当理解，本公开的方面不限于在如图9所示的计算机系统上实现。本公开的各方面可以在具有图9所示的不同架构或部件的一个或多个计算机上实施。此外，在此(或在权利要求中)将本公开的实施例的功能或过程描述为在处理器或控制器上执行的情况下，这种描述旨在包括使用多于一个处理器或控制器来执行功能的系统。
85.计算机系统900可以是使用高级计算机编程语言可编程的通用计算机系统。计算机系统900也可以使用专门编程的专用硬件来实现。在计算机系统900中，处理器920通常是市场上可买到的处理器，例如可从英特尔公司买到的众所周知的奔腾处理器。许多其他处理器也是可用的。这种处理器通常执行操作系统，该操作系统可以是例如微软公司提供的windows 95、windows 98、windows nt、windows 2000、windows me、windows xp、vista、windows 7、windows 10或子代操作系统，苹果计算机公司提供的mac os system x或子代操作系统，unix、linux(任何发行版)，或各种来源提供的子代操作系统。可以使用许多其他操作系统。
86.处理器和操作系统一起定义了计算机平台，为该平台编写了高级编程语言的应用程序。应当理解，本公开的实施例不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或网络。此外，对本领域技术人员来说显而易见的是，本公开不限于特定的编程语言或计算机系统。此外，应当理解，也可以使用其他适当的编程语言和其他适当的计算机系统。
87.在上文中，参考了各种实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。相反，所描述的特征和元素的任何组合，无论是否与不同的实施例相关，都被认为是实现和实践了所设想的实施例。此外，尽管实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优势，但给定实施例是否实现特定优势并不限制本公开的范围。因此，前述方面、特征、实施例和优点仅仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中明确陈述。
88.应当理解，结合所公开的实施例的各方面的实际商业应用的开发将需要许多实施方式特定的决定来实现商业实施例。这种特定于实施方式的决定可以包括且可能不限于符合与系统相关的、与商业相关的、与政府相关的以及其他约束，这些约束可以随特定的实施
方式、位置和时间而变化。虽然开发者的努力可能被认为是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域技术人员来说，这种努力仍是例行的任务。
89.还应该理解的是，这里公开和教导的实施例可以有许多不同的修改和替代形式。因此，单数术语的使用比如但不限于“一个”等，并不旨在限制项目的数量。类似地，在书面描述中使用的任何相关术语比如但不限于“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”、“上”、“侧”等是为了在具体参考附图时清楚起见，而不是为了限制本发明的范围。
90.本公开在其应用中不限于在以下描述中阐述的或由附图示出的部件的构造和布置的细节。本公开能够有其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。此外，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”以及此处的变体的使用意味着是开放式的，即“包括但不限于”。
91.本文公开的各种实施例可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)的形式或结合软件和硬件方面的实施例，这些方面在本文中通常被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，各方面可以采取体现在其上包含有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式。
92.可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是非暂时性计算机可读介质。非暂时性计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或者前述的任何合适的组合。非暂时性计算机可读介质的更具体的示例(非穷举列表)可以包括以下：具有一条或多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适的组合。包含在计算机可读介质上的程序代码可以使用任何适当的介质来传输，包括但不限于无线、有线、光纤电缆、rf等或前述的任何合适的组合。
93.用于执行本公开的各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来编写。此外，这种计算机程序代码可以使用单个计算机系统或者通过相互通信的多个计算机系统(例如使用局域网(lan)、广域网(wan)、互联网等)来执行。虽然前面参考流程图和/或框图描述了各种特征，但本领域普通技术人员将理解，流程图和/或框图的每个块以及流程图和/或框图中的块的组合可以由计算机逻辑(例如计算机程序指令、硬件逻辑、两者的组合等)来实现。通常，计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理设备的处理器。此外，使用处理器执行这种计算机程序指令产生了能够执行流程图和/或框图块中指定的功能或动作的机器。
94.计算机系统的一个或多个部分可以分布在耦合到通信网络的一个或多个计算机系统上。例如，如上所述，确定可用功率容量的计算机系统可以远离系统管理器。这些计算机系统也可以是通用计算机系统。例如，本公开的各方面可以分布在配置为向一个或多个客户端计算机提供服务(例如服务器)或者作为分布式系统的一部分执行整体任务的一个或多个计算机系统中。例如，本公开的各方面可以在客户端-服务器或多层系统上执行，该系统包括分布在一个或多个服务器系统中的部件，这些服务器系统根据本公开的各个实施例执行各种功能。这些部件可以是使用通信协议(例如tcp/ip)在通信网络(例如因特网)上通信的可执行、中间(例如il)或解释(例如java)代码。例如，一个或多个数据库服务器可以
用于存储设备数据，例如预期功率消耗，其用于设计与本公开的实施例相关的布局。
95.应当理解，本公开不限于在任何特定系统或系统组上执行。此外，应当理解，本公开不限于任何特定的分布式架构、网络或通信协议。
96.本公开的各种实施例可以使用面向对象的编程语言来编程，例如smalltalk、java、c++、ada或c#(c-sharp)。也可以使用其他面向对象的编程语言。可替代地，可以使用函数、脚本和/或逻辑编程语言，例如basic、fortran、cobol、tcl或lua。本公开的各方面可以在非编程环境中实现(例如分析平台或以html、xml或其他格式创建的文档，当在浏览器程序的窗口中查看时，这些文档呈现图形用户界面(gui)的各方面或执行其他功能)。本公开的各方面可被实现为编程的或非编程的元件，或者它们的任意组合。
97.附图中的流程图和方框图示出了本公开的各种实施例的可能实现的架构、功能和/或操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以代表模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实施方式中，框中标注的功能可以不按照图中标注的顺序出现。例如，连续示出的两个框实际上可以基本同时执行，或者这些框有时可以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
98.应当理解，以上描述旨在说明，而非限制。在阅读和理解以上描述后，许多其他实现示例是显而易见的。尽管本公开描述了具体的示例，但应当认识到，本公开的系统和方法不限于这里描述的示例，而是可以在所附权利要求的范围内进行修改来实施。因此，说明书和附图应被认为是说明性的，而不是限制性的。因此，本公开的范围应当参照所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来确定。