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Original 2018-04-10 宋华振 知识自动化

【中文词条】OPC统一架构

【英文词条】OLE for Process Control Unified Architecture

【词条正解】OPC UA是一个与平台无关的标准，使用该标准可以在不同类型网络上的客户端和服务器间发送消息，以实现不同类型系统和设备间的通信。OPC UA可用于现场设备、控制系统、各种软件（MES、ERP）等，在工业过程领域交互信息、使用指令和执行控制。OPC UA定义了通用架构模型来实现这种信息交互。

（定义参考来源：OPC UA统一架构，GB/T 33863.1-2017/IEC/TR 62451-1:2010）

OPC UA在整个智能制造中的角色定位

OPC UA在工业通信中的角色

从最开始的继电器逻辑没有数据传输的需求，到分布式控制需要对远程的信号进行采集，并可自由配置、编程、诊断，现场总线发挥了很大的作用，而各种总线的复杂使得大家目光聚焦到了以太网技术，但是，为了避免标准以太网的延迟，又开发了实时以太网技术，但是，当企业需要对不同的设备进行互联，并需要OT与IT进行融合时，又产生了语义互操作的问题。

图 | TR 62390对于互联的几个层面的定义

工业互联主要分为互联、互通、语义互操作三个层面，一般工业总线是ISO模型中的三层架构，物理层、数据链路层与应用层，现场总线解决了互联问题，当然，其应用层解决了互通问题——每个数据对应的具体参数（如CANopen的SDO和PDO对象字典），而OPC UA则扮演一个解决在不同的总线、应用平台间的语义互操作问题。

图 | 工业通信与控制的发展关系

上图中，CAN、Profibus等作为通信行规解决的是通信的协议、接口、数据访问机制这些通信相关问题，而OPC UA则要解决参数语义、应用行为、动态功能这类“设备行规”的问题，这些跟具体的现场机器、设备相关的数据传输问题。

工业4.0/智能制造对于互联的需求

工业4.0是一种互联与集成，包括水平与垂直方向的集成，我们从下图可以看到包含了IoS、IoT、CPS、Smart Factory多个维度的集成需求。

图 | 工业4.0的架构设计

下表是对于这几种应用对于通信的需求，包括互操作性、可视化、分布式、实时、面向服务的需求，这些与现场仅停留于通信行规层面不同，这些应用需求都是在设备层，尤其是对互操作是CPS、IoT、IoS、智能工厂的统一需求。

表 | 工业4.0中各个单元对于通信的需求

智能工厂的互联需求

对于工厂而言，互联集成的目的在于改善和优化：

☆ 如何连接这些工厂，获得综合的业务评估与改善：例如，将不同的车间的数据用于成本的评估，或者将数据采集后用于对生产工艺的改善分析，这些都是需要将来自于不同车间、产线的参数获取，但是，不同的机器、产线、车间的系统来自于不同的厂商，采用不同的总线，这是困境。

☆ 如何改善性能：对于工厂运营经理而言，其需要获得产线的OEE参数、能耗参数以确定如何进行调整产线，包括智能制造里的个性化生产、新的任务下发到每个现场机台，这些都是需要在不同的系统和网络里进行传输的，如何让这些事情可以顺利进行？

当然，为了实现这些目标，还有一些其他与标准、安全、独立性、成本等相关的因素，如：

☆ 信息安全：必须确保连接到云/雾或者边缘计算平台的数据的安全性，如何确保安全的信息传输，这是必须予以考虑的问题。

☆ 标准：它得是国际标准，并且得有产业界的实际用户认同才行。

☆ 独立性：不要受制于具体的某些企业和公司，必须具有中立性的组织来运营技术。

为什么采用OPC UA？

采用OPC UA主要有八个原因，下图是根据技术、商业需求多个维度进行了总结。

图 | 采用OPC UA的8个原因

图中从多个角度阐述了为何OPC UA被聚焦为整个智能制造/工业4.0/物联网架构的通信规约的原因。

OPC UA已经得到了许多重要的国际组织认同。

在德国工业4.0设计的RAMI4.0（Reference Architecture Manufacturing for Industry 4.0）中，OPC UA作为基础的通信层实现标准，IEC62541，并且对信息层进行了定义，包括IEC通用数据字典IEC61360，以及eCI@ss。

图 | OPC UA在工业4.0架构RAMI4.0中的位置

OPC UA基金会的A级会员名单，包括了ABB、西门子、B&R、BECKHOFF、Bosch Rexroth、Rockwell AB这些主流的自动化厂商，以及Microsoft、SAP、Cisco、IBM这些来自IT世界的厂商，包括制造中的KUKA、Fanuc等机器人厂商，LEUZE、SICK等传感器厂商都加入了OPC UA基金会，成为主要会员。

因此可以想知，OPC UA获得各个现场总线和垂直行业支持。一个来自于OPC UA基金会官方的信息显示，包括了Profibus/Profinet的PI组织、POWERLINK的EPSG组织、Ethernet/IP的ODVA组织、SERCOSIII的Sercos International，以及EtherCAT的ETG组织都支持OPC UA，并在OPC UA的通信机制中扮演重要的角色，而同时，各个垂直行业的基金会组织也被纳入到OPC UA架构之下，包括了包装工业的OMAC/PackML、Euromap-塑料工业、汽车工业的AutomationML、机床工业领域的MTConnect等，以及PLCopen组织、ISA-针对MES系统的信息模型构建。而在2017年FDT/DTM、DDS也加入了OPC UA基金会。

信息模型是关键

图 | OPC UA架构

其实OPC UA包括了传输协议（支持TCP二进制、Web Service的传输机制），右侧是包括元信息模型的规范，OPC UA服务集提供连接、属性管理、安全通信服务、浏览等多种与传输通信相关的服务子集。在基础的信息模型中，OPC UA提供了标准的Web服务来访问地址空间里的对象的框架，并确保信息的传输安全性。

事实上，无论我们讨论工业4.0、智能制造还是IIoT，信息模型才是关键，例如：针对边缘计算的策略规划，我们需要明确产线上的数据有什么样的关联关系？信息应该以什么方式来组织、读取、进行应用操作、显示灯，为了这些必须建立有效的信息模型，这也是OICT融合的关键，在实现互联互通后，如何构建信息模型，与生产流程、分析与优化的应用结合，OPC UA提供了统一的、标准的数据互联接口，这是为何IIC的工业物联网参考架构IIRA与工业4.0的RAMI4.0、中国制造2025所定义的数字化车间等将OPC UA定义为标准的原因。

OPC UA的基础信息模型在于为访问者提供了访问与操作的标准，数据格式、语义的标准。

注：本词条入选《智能制造术语解读》一书，由中国电子信息产业发展研究院编，即将由电子工业出版社出版，敬请关注。

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