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工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）所面臨的巨大挑戰(zhàn)是信息安全問題，不同行業(yè)的設(shè)備、機器和服務(wù)之間需要進行標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)和信息交互。

 

 

早在 2015年 4 月，工業(yè) 4.0 參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）在通信層實施方面僅推薦使用符合 IEC 62541 標(biāo)準(zhǔn)的 OPC 統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）。2016 年 11 月，工業(yè) 4.0 組織就發(fā)布了“基本實現(xiàn)”、“準(zhǔn)備實現(xiàn)”或“完全實現(xiàn)” 不同級別的產(chǎn)品分類和推廣列表。為適應(yīng)“工業(yè) 4.0 通信”標(biāo)準(zhǔn)，即使是最低類別產(chǎn)品也必須能夠通過 TCP/UDP 或 IP 在網(wǎng)絡(luò)上尋址，并至少要集成 OPC UA 信息模型。因此，任何被宣傳為“適用于工業(yè) 4.0”的產(chǎn)品都必須具有 OPC UA 功能（集成或通過網(wǎng)關(guān)）。同時，產(chǎn)品列表也強調(diào)了 OPC UA 的信息建模屬性。

 

OPC UA 不僅僅是通信協(xié)議 — 它包含更多

很多中小企業(yè)并不重視信息建模，因為這些中小企業(yè)總喜歡拿 OPC UA 和其它協(xié)議（如 MQTT）進行比較，并想當(dāng)然地認(rèn)為它具有局限性，因此，我們經(jīng)常會聽到諸如“OPC UA 無法直接與云通訊，是嗎？”等類似的問題。

首先，每個設(shè)備和機器制造商已經(jīng)提供了具有數(shù)據(jù)接口（通過各種協(xié)議）的隱式信息模型。人們已經(jīng)學(xué)會適應(yīng)了計算機的“思考”方式 — 記錄位、字節(jié)和十六進制的含義。新世界充斥著各種設(shè)備，如果這些設(shè)備支持面向服務(wù)的架構(gòu)（SoA），就可以幫助人們更快速輕松地理解“物”本身，因為它們能夠提供“服務(wù)”并描述其底層含義。

SoA 在 IT 界早已不是新鮮事了，然而現(xiàn)在，SoA 已一直延伸到“物”本身。這就是 OPC UA 的用武之地，它為工業(yè)互操作性提供了框架。機器和設(shè)備制造商描述其系統(tǒng)的面向?qū)ο蟮男畔?，并定義訪問權(quán)限以及集成信息安全功能。2016 年 4 月，德國 BSI（聯(lián)邦信息技術(shù)研究所或聯(lián)邦信息安全局）對 OPC UA 的數(shù)據(jù)安全進行了全面的分析之后公布了極為肯定的意見。這是因為機器制造商保持對數(shù)據(jù)的完全控制，即他們可以以有針對性和可控的方式分發(fā)數(shù)據(jù)，從而讓他們能夠參與到大數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)分析中。

 

為了交換數(shù)據(jù)，OPC UA 結(jié)合兩種機制來實現(xiàn)各種場景：

– 客戶端-服務(wù)器模式，OPC UA 客戶端訪問 OPC UA 服務(wù)器的專用服務(wù)。這種對等方式提供了信息安全和確定的信息交換，但對連接數(shù)量有限制。

– 發(fā)布者-訂閱者模式，其中 OPC UA 服務(wù)器通過配置信息子集可供任意數(shù)量的訂閱者使用。這種廣播機制提供了一個無需信息確認(rèn)的“即發(fā)即棄”的信息交換方式。

OPC UA 提供了這兩種通訊機制，但更重要的一點是：它獨立于實際通訊協(xié)議。TCP 和 HTTPS 可用于客戶端-服務(wù)器模式，而 UDP、AMQP 和 MQTT 可用于發(fā)布-訂閱模式。因此，“是 OPC UA 或 AMQP 還是MQTT”的問題從 OPC 基金會的觀點來看無關(guān)緊要。由于最小的微控制器可能沒有足夠的資源實現(xiàn)完整的 OPC UA，因此設(shè)備可以通過 MQTT 或 AMQP 以“OPC UA 兼容”的方式提供數(shù)據(jù)，從而使其更輕松地集成到另一端。畢竟，統(tǒng)一信息模型和數(shù)據(jù)的含義是實現(xiàn)工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵。

 

趨勢：信息模型

OPC UA 通過多種可擴展協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全的傳輸，但由誰來定義數(shù)據(jù)含義呢？諸如 AIM 自動識別技術(shù)協(xié)會（RFID 閱讀器，掃描儀等）、VDMA 的注塑機、機器人或機器視覺技術(shù)組、以及其他 35 個 VDMA 涉足的行業(yè)已經(jīng)在 OPC UA 服務(wù)器中定義相關(guān)的信息，即所謂的 OPC UA 配套規(guī)范。對于設(shè)備供應(yīng)商來說，符合這種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并不意味著數(shù)據(jù)即可交換，因為每個制造商都可以在標(biāo)準(zhǔn)的最上層添加自己的特殊服務(wù)。智能設(shè)備必須能夠同時支持多種信息模型，如注塑機的專用功能，以及能源數(shù)據(jù)模型或 MES 接口模型。為了降低工程成本，這些適用特定行業(yè)或跨行業(yè)的信息模型會在未來有飛速發(fā)展。OPC UA 可能不會直接給工業(yè)設(shè)備供應(yīng)商帶來銷售額的增長，但不支持 OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)，銷售額肯定會大幅下降。

 

趨勢：SoA

目前開發(fā)的大多數(shù)行業(yè)特定的信息模型不再基于位/字節(jié)屬性的交換，而是基于具有復(fù)雜參數(shù)的 SoA 服務(wù)。與 OPC UA 服務(wù)器通信時，OPC UA 客戶端不支持函數(shù)或者復(fù)雜參數(shù)的調(diào)用將日益受到限制。RFID 閱讀器將不再是通過位來激活讀寫命令，而是使用可以由人類讀懂的方式來調(diào)用函數(shù)：ReadTag、WriteTag 和 KillTag 等。OPC UA 是 SoA 實施模型的理想選擇，這也是為什么德國電氣電子信息技術(shù)委員會（DKE）將 OPC UA 列為唯一的 SoA 解決方案。

 

趨勢：服務(wù)到服務(wù)

OPC UA 提供從傳感器到企業(yè) IT 層的一致的可擴展性，給自動化金字塔帶來很大的沖擊。盡管這個金字塔將繼續(xù)存在于工廠的組織架構(gòu)中，但 OPC UA 完全繞過了通訊金字塔。設(shè)備可以直接或并行地將數(shù)據(jù)傳輸給 PLC、MES、ERP 系統(tǒng)或云端。供應(yīng)商在這里看到了新的商機。例如，制造商可以將條形碼或RFID預(yù)裝在設(shè)備上，客戶只需要掃描條形碼或讀取 RFID 信息即可付費。

 

趨勢：基于芯片的 OPC UA

OPC UA 將繼續(xù)被集成到更小的設(shè)備和傳感器中。目前行業(yè)中使用的最小的 OPC UA 軟件解決方案只具備有限（但可讀）的功能，僅需 35 KB 的 RAM 和 240 KB 的閃存資源?，F(xiàn)在，集成有 OPC UA 功能的第一批芯片已經(jīng)進入市場，OPC UA 可以進一步打入傳感器市場。因此，OPC UA 應(yīng)用已經(jīng)從自動化的核心領(lǐng)域延伸到其它領(lǐng)域，如廚房電器等。

 

總結(jié)

OPC UA 已經(jīng)成為自動化市場和工業(yè) 4.0 的事實標(biāo)準(zhǔn)。若結(jié)合 TSN 通訊，OPC UA 也將具有實時性。這并不是在推廣另一種現(xiàn)場總線，而是為交換 SoA 服務(wù)提供一個可預(yù)測的時間基礎(chǔ)。同時，仍然存在一些挑戰(zhàn)，諸如復(fù)雜的 TSN 網(wǎng)絡(luò)的配置等一些難題尚未得到解決。因此，OPC 基金會目前還沒有積極推廣 OPC UA 和 TSN。然而，OPC UA 正覆蓋到越來越多的通信領(lǐng)域，使得供應(yīng)商越來越不容易判斷合適的應(yīng)用。產(chǎn)品將根據(jù)設(shè)備本身的特性或外部服務(wù)的功能而不是接口來進行區(qū)分。未來，隨著 OPC UA 逐漸成為全球最大的互操作性生態(tài)系統(tǒng)的首選平臺，我們將會看到其它行業(yè)信息模型的快速發(fā)展。

 

濟南艾文自動化OPC UA客戶案例

中科院沈陽自動化所 – 2013年

-   Matrikon OPCUA SDK在中國大陸的第一個客戶

-   運行平臺：STM32

-   應(yīng)用：智能家居控制器

-   我們的工作：

-   協(xié)助客戶與Matrikon的研發(fā)團隊直接交流，解決在小資源MCU上運行OPCUA的問題

-   SDK技術(shù)支持

    機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所 – 2014年

-   Matrikon OPCUA SDK第一次應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域

-   運行平臺：ARM Cortex M4

-   應(yīng)用：私有協(xié)議與OPCUA轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)

-   我們的工作：

-   提供Matrikon OPCUA Client SDK使用的培訓(xùn)

-   提供范例程序

-   SDK技術(shù)支持

中科院蘭州物理研究所 – 2015年

-   Matrikon OPCUA Client SDK

-   運行平臺：X86

-   應(yīng)用：粒子加速器子系統(tǒng)控制端

-   我們的工作：

-   提供OPCUA基本知識的培訓(xùn)

-   提供Matrikon OPCUA Client SDK使用的培訓(xùn)

-   提供范例程序

-   SDK技術(shù)支持

 

北京和利時– 2016年

-   Matrikon R300/R400 SDK

-   運行平臺：X86/linux, Vxworks

-   應(yīng)用：高端工業(yè)控制器通訊子系統(tǒng)

-   我們的工作：

-   協(xié)助客戶確定應(yīng)用程序框架

-   提供R300的技術(shù)支持

-   移植R300到Vxworks平臺