OPC UA——工业4.0的赢家

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当前在德国，开放平台通信统一架构OPC UA的标准被公认为是一种有前途的、实现持续信息交换的方法。因此它已经成为工业4.0未来标准的主要候选者。德国机械制造协会VDMA与Fraunhofer IOSB发布了针对中小型机械制造企业如何在今后导入OPC UA及其迁移的可能策略的导则。导则明确的强调，OPC UA不是自动化实时通信的另一个标准，而是一种为目前尚处于信息孤岛的设备之间建立附加通信通道的工具。在工业4.0中，其主要任务为新的服务提供信息传输，而不是替代现有的实时通信协议。由于OPC UA只是实现新的客户场景的工具，所以没有必要等待客户对OPC UA提出明确要求才开始行动。特别是对于成套设备和机械制造厂商，应面该考虑的是实现这些场景大部分要建立在独立于供应商的基础上，而且保证信息交换的可互操作性。

图1给出用于工业4.0通信的OPC UA工具箱，包括以下各列（自左至右）：传输、信息安全、信息存取、伙伴规范和扩展信息模型。众所周知，OPC UA是一种面向服务的架构SOA，为机械数据（诸如设备描述、测量数值、参数和控制变量）信息交换的标准化构建了合乎工业要求的平台。这里再一次强调指出，在工业4.0的环境下运用OPC UA，目的不是要取代机械装置内业已普遍使用的确定性通信的手段，而是为不同生产厂商生产的成套装置、机械设备和部件之间提供一种统一的通信方式。

图1：用于工业4.0通信的OPC UA工具箱

作为OPC UA工具箱中的各个要素，传输层实现采用不同通信协议和通信类型的信息存取，但这些不同的通信协议和通信类型必须有一个共同的基础，即采用互联网协议（IP）。因此OPC UA要求网络的基础架构一定要赋有IP通信的能力。OPC UA兼容IPV4和IPV6.当前OPC UA基于客户端－服务器（C/S）和发布－订阅（pub／sub）通信机制，如图2所示。OPC UA的应用程序可同时并行地使用这两种通信机制。一个OPC UA的应用程序在同一时刻，既可以作为服务器、客户端，也可以作为发布端和订阅端。其发现的功能性使它能发现OPC UA服务器及其功能性。未来它将支持运用时间敏感联网TSN技术的确定性通信。

客户端－服务器通信直接实现客户端和服务器之间的数据交换，消息的接收是被确认的。发布端－订阅端通信类型适合于间接的数据交换，发送者和接收者无需彼此知晓，也无需同时被激活。它适合于大量的传感器与一个接收器相通信的场景（例如云端的状态监控和优化服务），或一个发送端和多个接收端的场景。一台注塑机可以同时向公司的多个不同的服务器（如可视化、MES或节能系统）发送其材料用量和能源使用量的测量值，就是后面那种应用场景。

图2：OPC UA的通信机制

信息安全是OPC UA的一个关键要素，是一种必须在构建软件平台的早期就必须认真考虑的问题。信息安全的机制必须覆盖传输层、信息存取和发现机制等多个方面。信息安全机制要求对通信参与者的身份和存取权进行管理。为加强和改善身份识别，身份管理赋予对OPC UA应用程序进行授权的能力。身份管理既可以对每一个OPC UA应用程序进行管理，又可采用全公司的公共密钥基础架构（PKI）进行管理。PKI可以对身份进行发布、分配和测试。

信息存取包括调用读写变量的类函数和观察事件。

伙伴规范和扩展信息模型----信息模型表述由节点构成的网络以及这些节点的关系。而节点可以用来表达具有不同特性的复杂对象，譬如设备、机械装置、成套装置。在OPC UA中对象可以容纳变量、类函数和事件。OPC UA信息模型可以表述任意的分层检索，此外，还可表述类型和节点的实例。对节点加以标准化时可带有类型，这样就能够进行信息存取，而与特定节点的实例无关。例如一种注塑机的类型包括注塑机所有的通用变量、类函数和事件。类型和类型的实例都是信息模型的一部分。由此OPC UA的应用程序就具有了在无需事先知晓的情况下理解复杂节点的能力。如果由两个厂商制造了同一类型的机械设备，这两种实现代表了两种实例。统一的信息存取通过两个厂家的同一类型完成。没有必要对特定厂家的信息进行存取。这就允许应用程序的开发可以独立进行，而无需顾及设备、机械和系统。例如一台注塑机可以用包括一个类函数“启动任务”、一个变量“当前的功耗”和事件“温度已达到”等信息来描述。

图3：OPC UA按逻辑分层

图3将图1所示的OPC UA工具箱的要素映射到OPC UA规范的逻辑分层。通过信息存取使得信息模型可被使用。而OPC UA的应用程序可按通信要求让信息模型作为服务器或发布端，以及用作客户端或订阅端。传输层描述信息存取层的技术关系，发现层则描述将OPC UA服务器列表的可能性。一般在诸如现场设备、控制器、台式计算机或IT服务器等设备中，采用OPC UA服务器作为信息的发送源。在图3中列出三种OPC UA的信息模型：设备的信息模型、伙伴规范和扩展信息模型。设备的信息模型及其集成（即设备集成）构成伙伴规范和扩展信息模型的基础。它包括设备模型（性能和功能性）、通信模型（通信的拓扑结构）和集成模型（设备集成的规则）。表1列出有关工业自动化方面的若干伙伴规范。

表1：OPC UA的工业自动化伙伴协议概貌

在一个企业中，基于OPC UA的工业4.0的通信可以分成四个阶段逐步实现（见图4）：

图4：中小企业采用OPC UA升级的四个阶段

第一阶段  基于OPC UA的工业4.0的通信其基本前提是网络运行要建立在互联网协议（Internet Protocol，IP）的基础上。如果已经有了这个基于IP的网络，那么OPC UA就可作为来自不同制造厂生产的机械的信息存取的统一接口。在第一阶段中机械的相关参数或系统监控参数可用手动的方法集成到状态监控系统中。相比采用多种不同的通信解决方案，这一方法已经显现出其优越性。

第二阶段  通过采用标准化的信息模型（即所谓OPC UA的伙伴规范）可以取得用例（use case）的即插即用。由不同供应商制造的机械和成套设备，其核心的功能性都在细分行业制定的伙伴规范中予以同等的模型化，调用这些被模型化的功能就能够对这些机械完成统一的集成和使用。越来越多的操作人员要求这种可互操作性，例如来自塑料机械和橡胶机械行业和来自通过RFID自动识别的细分行业。在德国，一些零部件制造商、机械和成套设备制造厂商已经开始迈向工业4.0的通信。第一个成果是伙伴规范EUROMAP77，规范定义了塑料机械和橡胶机械的统一信息模型。该规范可以用来支持和帮助较小规模的公司理解信息模型所带来的好处。同时也为其它行业开发伙伴规范提供了一个合适的范例。

第三阶段   运用扩展的信息模型将所在企业独特的诀窍和需要保密的非标准功能性容纳在其中，为体现企业知识产权在性能和效益方面的优越提供方便。企业这方面的专有技术（例如机械装备的优化功能）将受到OPC UA基于规则的授权的精确保护。      

第四阶段  资产管理壳AAS是作为工业4.0资产的基本单元及其虚拟表达。各个资产管理壳通过工业4.0的通信彼此进行相互作用。可以在OPC UA以及伙伴规范和扩展信息模型的基础上实现AAS，这就是工业4.0通信的升级迁移的第四阶段。AAS的核心概念以资产的性能为中心，这些性能可被理解为标准的词汇，利用这些性能不仅可以把信息模型（伙伴规范）中特定细分行业的关系予以标准化，还可涉及用在信息模型和工业4.0基本单元中的单独的术语。按照国际注册数据识别码（IRDI）规定的识别码对性能进行识别，因而使性能与不同的语言和细分行业的专用名称无关，不会因为语言和名称的差异而产生混淆。AAS运用IEC 61360国际标准对性能加以标准化。

企业采用OPC UA作为工业4.0的通信的迁移升级过程必须循序渐进，不可能一蹴而就。一方面是因为尽管OPC UA相对而言是工业4.0可以采用的通信技术中最有基础和最成熟的，但毕竟还在进一步发展的阶段，还有许多与正在开发的其它通信技术（如TSN）融合的工作要做；另一方面，企业的迁移升级首先要以企业对当前市场需求的响应作为首要的驱动因素，同时适当兼顾技术的发展趋势，制定一个合理的迁移策略。不妨依照上述的四个升级阶段来考虑。

在升级的第一阶段首先解决信息的存取问题，采用OPC UA作为信息存取的统一通信接口。其前提是创建基于IP的网络，例如以太网或无线网络（WIFI或5G）并完成配置组态。网络的创建必须一次完成，不宜分期创建。接下去将各种来自机械设备和成套装置的变量采用手动的办法订阅。譬如先实现基于这些变量的状态监控的场景，这既可以降低停机时间，让用户看到明显的利益，又在这个过程中满足了OPC UA的基本要求，配置了OPC UA工具箱的相关模块。

本地发现服务器（local discovery server, LDS）用来发现新扩展的在一台机械装置或成套设备上的OPC UA服务器。对此，LDS不要求进行附加的组态。而OPC UA客户端（如来自MES或其它的机械装置）可以用LDV来发现可用的OPC UA服务器和发现可供使用的信息安全选项。在这些信息的基础上，OPC UA客户端建立了与这些OPC UA服务器的连接。

接着要做的是全公司范围的身份管理，即身份授权。对每一个项目都必须针对IT信息安全对存取权进行组态，对身份进行管理。对每一个OPC UA应用程序的授权都需要验证识别。为了建立各个OPC UA应用程序之间的安全连接，这些应用程序必须相互证明其可信。第一步先用手动的方式建立身份授权，然后进行全公司级别的身份授权管理。

至此，各个OPC UA应用程序的通信便可以通过OPC UA的SOA安全地进行，用户可以浏览之前导入的基本模型、读写变量、调用类函数和订阅事件。系统（譬如ERP、MES和PLC）之间的通信可以采用手动组态，例如把某个由PLC处理的能源测量值定期地发往MES。

进入第二阶段为了开发标准的信息模型可以参照细分行业的OPC UA伙伴规范。

一般而言伙伴规范总是建立在设备或设备集成的信息模型之上。信息模型描述设备的通用特性和功能性，及其可能操作的拓扑结构。伙伴规范定义细分行业的设备及其应用，例如现场设备、PLC或某类机械装置。运用伙伴规范会提高可互操作性，并使用例做到即插即投入使用。在调试或改装时，系统集成和自动化公司目前都是要手动调试控制程序，这些调试一般都根据手册和非正式的记录信息数据表，对于不同的制造厂商这些手册和数据表各不相同。今后如果机械制造厂和成套设备厂都运用伙伴规范，那么就具备了对这些厂进行信息交换的存取能力。由于都是标准化的信息可资利用，要将一台新的机械集成到一个成套设备中去很容易，再也没有厂与厂之间的差异。这样要把部件、机械、成套设备集成到MES系统，就很方便。如果已经有了某个细分行业现成的伙伴规范，一定要使用；如果没有现成的伙伴规范，也可以建立一个新的信息模型，然后以伙伴规范的形式予以标准化。在德国机械制造商协会VDMA承担其为会员单位开发与OPC基金会合作的伙伴规范的工作。

表2给出OPC基金会有关OPC UA服务器的行规，根据设备的大小分别有纳型嵌入式（Nano Embedded）  、微型嵌入式和嵌入式服务器行规和标准服务器行规，功能性也有相当大的差别，因而对实现的硬件资源要求（如计算能力、内存等）也有很大差异。顺便指出，在OPC的概念中，OPC服务器是指提供数据的设备，OPC客户端是指使用数据的设备。

表2：OPC UA服务器的行规

第三阶段引入扩展伙伴规范，是为了在标准化信息模型和独立于制造厂的信息基本集合的基础上，体现不同制造厂的差异化的特性。例如有些机械设备可以提供基于制造厂的经验和专有技术的节能优化或者循环时间优化的功能，这些功能并没有标准化，那么便可以通过建立扩展信息模型以明确的方式提供。而OPC UA的信息模型对非授权的存取具有良好的保护。

这里顺便指出，OPC UA服务器可以容纳多个信息模型，标准信息模型和扩展信息模型可同时存在于一个OPC UA的应用程序中。

OPC UA满足工业4.0通信的要求。由图5可知，基于OPC UA的工业4.0通信可以用在工业4.0参考架构模型RAMI4.0的分层递阶维度中所有层级的通信。OPC UA可以实现从最小的传感器到跨企业各层级的通信。在RAMI4.0的另一维度，基于OPC UA的SOA信息存取运用于通信层，而伙伴规范和扩展信息模型属于信息层的范畴。OPC UA也适合用于工业4.0基本单元的通信，以及连接设备（资产）与资产管理壳AAS。这后面一种情况则体现在集成层。

图5：OPC UA在RAMI4.0中的位置

结束语

从目前的推进形势观察，符合工业4.0要求的通信要获得全面成熟的应用，或许还要十年左右的时间。这不仅仅是因为许多相关的技术还处于开发、试验阶段，因为许多标准尚待开发制定和国际化，还因为涉及各主要工业国家和新兴工业国家相关法律的制定和通信运营商之间的协商。工业4.0所要求的通信毕竟是前所未有的通信集成，牵涉到万物（包括软件和硬件）和企业、人员的互联。当然还有政治因素，全球化和反全球化的斗争目前大有愈演愈烈之势，可能对此也会产生难以预料的影响。

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作者简介

作 者

彭 瑜：上海工业自动化仪表研究院，PLCopen中国组织

编 审

孟采菽：《知识自动化》主编

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