當(dāng)前在德國，開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)被公認(rèn)為是一種有前途的、實(shí)現(xiàn)持續(xù)信息交換的方法。因此它已經(jīng)成為工業(yè)4.0未來標(biāo)準(zhǔn)的主要候選者。德國機(jī)械制造協(xié)會(huì)VDMA與Fraunhofer IOSB發(fā)布了針對(duì)中小型機(jī)械制造企業(yè)如何在今后導(dǎo)入OPC UA及其遷移的可能策略的導(dǎo)則。導(dǎo)則明確的強(qiáng)調(diào)，OPC UA不是自動(dòng)化實(shí)時(shí)通信的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而是一種為目前尚處于信息孤島的設(shè)備之間建立附加通信通道的工具。在工業(yè)4.0中，其主要任務(wù)為新的服務(wù)提供信息傳輸，而不是替代現(xiàn)有的實(shí)時(shí)通信協(xié)議。由于OPC UA只是實(shí)現(xiàn)新的客戶場景的工具，所以沒有必要等待客戶對(duì)OPC UA提出明確要求才開始行動(dòng)。特別是對(duì)于成套設(shè)備和機(jī)械制造廠商，應(yīng)面該考慮的是實(shí)現(xiàn)這些場景大部分要建立在獨(dú)立于供應(yīng)商的基礎(chǔ)上，而且保證信息交換的可互操作性。

圖1給出用于工業(yè)4.0通信的OPC UA工具箱，包括以下各列（自左至右）：傳輸、信息安全、信息存取、伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型。眾所周知，OPC UA是一種面向服務(wù)的架構(gòu)SOA，為機(jī)械數(shù)據(jù)（諸如設(shè)備描述、測量數(shù)值、參數(shù)和控制變量）信息交換的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建了合乎工業(yè)要求的平臺(tái)。這里再一次強(qiáng)調(diào)指出，在工業(yè)4.0的環(huán)境下運(yùn)用OPC UA，目的不是要取代機(jī)械裝置內(nèi)業(yè)已普遍使用的確定性通信的手段，而是為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機(jī)械設(shè)備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通信方式。

圖1：用于工業(yè)4.0通信的OPC UA工具箱
作為OPC UA工具箱中的各個(gè)要素，傳輸層實(shí)現(xiàn)采用不同通信協(xié)議和通信類型的信息存取，但這些不同的通信協(xié)議和通信類型必須有一個(gè)共同的基礎(chǔ)，即采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）。因此OPC UA要求網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)一定要賦有IP通信的能力。OPC UA兼容IPV4和IPV6.當(dāng)前OPC UA基于客戶端－服務(wù)器（C/S）和發(fā)布－訂閱（pub／sub）通信機(jī)制，如圖2所示。OPC UA的應(yīng)用程序可同時(shí)并行地使用這兩種通信機(jī)制。一個(gè)OPC UA的應(yīng)用程序在同一時(shí)刻，既可以作為服務(wù)器、客戶端，也可以作為發(fā)布端和訂閱端。其發(fā)現(xiàn)的功能性使它能發(fā)現(xiàn)OPC UA服務(wù)器及其功能性。未來它將支持運(yùn)用時(shí)間敏感聯(lián)網(wǎng)TSN技術(shù)的確定性通信。
客戶端－服務(wù)器通信直接實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換，消息的接收是被確認(rèn)的。發(fā)布端－訂閱端通信類型適合于間接的數(shù)據(jù)交換，發(fā)送者和接收者無需彼此知曉，也無需同時(shí)被激活。它適合于大量的傳感器與一個(gè)接收器相通信的場景（例如云端的狀態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化服務(wù)），或一個(gè)發(fā)送端和多個(gè)接收端的場景。一臺(tái)注塑機(jī)可以同時(shí)向公司的多個(gè)不同的服務(wù)器（如可視化、MES或節(jié)能系統(tǒng)）發(fā)送其材料用量和能源使用量的測量值，就是后面那種應(yīng)用場景。

圖2：OPC UA的通信機(jī)制
信息安全是OPC UA的一個(gè)關(guān)鍵要素，是一種必須在構(gòu)建軟件平臺(tái)的早期就必須認(rèn)真考慮的問題。信息安全的機(jī)制必須覆蓋傳輸層、信息存取和發(fā)現(xiàn)機(jī)制等多個(gè)方面。信息安全機(jī)制要求對(duì)通信參與者的身份和存取權(quán)進(jìn)行管理。為加強(qiáng)和改善身份識(shí)別，身份管理賦予對(duì)OPC UA應(yīng)用程序進(jìn)行授權(quán)的能力。身份管理既可以對(duì)每一個(gè)OPC UA應(yīng)用程序進(jìn)行管理，又可采用全公司的公共密鑰基礎(chǔ)架構(gòu)（PKI）進(jìn)行管理。PKI可以對(duì)身份進(jìn)行發(fā)布、分配和測試。
信息存取包括調(diào)用讀寫變量的類函數(shù)和觀察事件。
伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型----信息模型表述由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)以及這些節(jié)點(diǎn)的關(guān)系。而節(jié)點(diǎn)可以用來表達(dá)具有不同特性的復(fù)雜對(duì)象，譬如設(shè)備、機(jī)械裝置、成套裝置。在OPC UA中對(duì)象可以容納變量、類函數(shù)和事件。OPC UA信息模型可以表述任意的分層檢索，此外，還可表述類型和節(jié)點(diǎn)的實(shí)例。對(duì)節(jié)點(diǎn)加以標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)可帶有類型，這樣就能夠進(jìn)行信息存取，而與特定節(jié)點(diǎn)的實(shí)例無關(guān)。例如一種注塑機(jī)的類型包括注塑機(jī)所有的通用變量、類函數(shù)和事件。類型和類型的實(shí)例都是信息模型的一部分。由此OPC UA的應(yīng)用程序就具有了在無需事先知曉的情況下理解復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的能力。如果由兩個(gè)廠商制造了同一類型的機(jī)械設(shè)備，這兩種實(shí)現(xiàn)代表了兩種實(shí)例。統(tǒng)一的信息存取通過兩個(gè)廠家的同一類型完成。沒有必要對(duì)特定廠家的信息進(jìn)行存取。這就允許應(yīng)用程序的開發(fā)可以獨(dú)立進(jìn)行，而無需顧及設(shè)備、機(jī)械和系統(tǒng)。例如一臺(tái)注塑機(jī)可以用包括一個(gè)類函數(shù)“啟動(dòng)任務(wù)”、一個(gè)變量“當(dāng)前的功耗”和事件“溫度已達(dá)到”等信息來描述。

圖3：OPC UA按邏輯分層
圖3將圖1所示的OPC UA工具箱的要素映射到OPC UA規(guī)范的邏輯分層。通過信息存取使得信息模型可被使用。而OPC UA的應(yīng)用程序可按通信要求讓信息模型作為服務(wù)器或發(fā)布端，以及用作客戶端或訂閱端。傳輸層描述信息存取層的技術(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)層則描述將OPC UA服務(wù)器列表的可能性。一般在諸如現(xiàn)場設(shè)備、控制器、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或IT服務(wù)器等設(shè)備中，采用OPC UA服務(wù)器作為信息的發(fā)送源。在圖3中列出三種OPC UA的信息模型：設(shè)備的信息模型、伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型。設(shè)備的信息模型及其集成（即設(shè)備集成）構(gòu)成伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型的基礎(chǔ)。它包括設(shè)備模型（性能和功能性）、通信模型（通信的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）和集成模型（設(shè)備集成的規(guī)則）。表1列出有關(guān)工業(yè)自動(dòng)化方面的若干伙伴規(guī)范。

表1：OPC UA的工業(yè)自動(dòng)化伙伴協(xié)議概貌
在一個(gè)企業(yè)中，基于OPC UA的工業(yè)4.0的通信可以分成四個(gè)階段逐步實(shí)現(xiàn)（見圖4）：

圖4：中小企業(yè)采用OPC UA升級(jí)的四個(gè)階段
第一階段  基于OPC UA的工業(yè)4.0的通信其基本前提是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行要建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol，IP）的基礎(chǔ)上。如果已經(jīng)有了這個(gè)基于IP的網(wǎng)絡(luò)，那么OPC UA就可作為來自不同制造廠生產(chǎn)的機(jī)械的信息存取的統(tǒng)一接口。在第一階段中機(jī)械的相關(guān)參數(shù)或系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)可用手動(dòng)的方法集成到狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中。相比采用多種不同的通信解決方案，這一方法已經(jīng)顯現(xiàn)出其優(yōu)越性。
第二階段  通過采用標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型（即所謂OPC UA的伙伴規(guī)范）可以取得用例（use case）的即插即用。由不同供應(yīng)商制造的機(jī)械和成套設(shè)備，其核心的功能性都在細(xì)分行業(yè)制定的伙伴規(guī)范中予以同等的模型化，調(diào)用這些被模型化的功能就能夠?qū)@些機(jī)械完成統(tǒng)一的集成和使用。越來越多的操作人員要求這種可互操作性，例如來自塑料機(jī)械和橡膠機(jī)械行業(yè)和來自通過RFID自動(dòng)識(shí)別的細(xì)分行業(yè)。在德國，一些零部件制造商、機(jī)械和成套設(shè)備制造廠商已經(jīng)開始邁向工業(yè)4.0的通信。第一個(gè)成果是伙伴規(guī)范EUROMAP77，規(guī)范定義了塑料機(jī)械和橡膠機(jī)械的統(tǒng)一信息模型。該規(guī)范可以用來支持和幫助較小規(guī)模的公司理解信息模型所帶來的好處。同時(shí)也為其它行業(yè)開發(fā)伙伴規(guī)范提供了一個(gè)合適的范例。
第三階段   運(yùn)用擴(kuò)展的信息模型將所在企業(yè)獨(dú)特的訣竅和需要保密的非標(biāo)準(zhǔn)功能性容納在其中，為體現(xiàn)企業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)在性能和效益方面的優(yōu)越提供方便。企業(yè)這方面的專有技術(shù)（例如機(jī)械裝備的優(yōu)化功能）將受到OPC UA基于規(guī)則的授權(quán)的精確保護(hù)。      
第四階段  資產(chǎn)管理殼AAS是作為工業(yè)4.0資產(chǎn)的基本單元及其虛擬表達(dá)。各個(gè)資產(chǎn)管理殼通過工業(yè)4.0的通信彼此進(jìn)行相互作用?？梢栽贠PC UA以及伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)AAS，這就是工業(yè)4.0通信的升級(jí)遷移的第四階段。AAS的核心概念以資產(chǎn)的性能為中心，這些性能可被理解為標(biāo)準(zhǔn)的詞匯，利用這些性能不僅可以把信息模型（伙伴規(guī)范）中特定細(xì)分行業(yè)的關(guān)系予以標(biāo)準(zhǔn)化，還可涉及用在信息模型和工業(yè)4.0基本單元中的單獨(dú)的術(shù)語。按照國際注冊數(shù)據(jù)識(shí)別碼（IRDI）規(guī)定的識(shí)別碼對(duì)性能進(jìn)行識(shí)別，因而使性能與不同的語言和細(xì)分行業(yè)的專用名稱無關(guān)，不會(huì)因?yàn)檎Z言和名稱的差異而產(chǎn)生混淆。AAS運(yùn)用IEC 61360國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)性能加以標(biāo)準(zhǔn)化。
企業(yè)采用OPC UA作為工業(yè)4.0的通信的遷移升級(jí)過程必須循序漸進(jìn)，不可能一蹴而就。一方面是因?yàn)楸M管OPC UA相對(duì)而言是工業(yè)4.0可以采用的通信技術(shù)中最有基礎(chǔ)和最成熟的，但畢竟還在進(jìn)一步發(fā)展的階段，還有許多與正在開發(fā)的其它通信技術(shù)（如TSN）融合的工作要做；另一方面，企業(yè)的遷移升級(jí)首先要以企業(yè)對(duì)當(dāng)前市場需求的響應(yīng)作為首要的驅(qū)動(dòng)因素，同時(shí)適當(dāng)兼顧技術(shù)的發(fā)展趨勢，制定一個(gè)合理的遷移策略。不妨依照上述的四個(gè)升級(jí)階段來考慮。
在升級(jí)的第一階段首先解決信息的存取問題，采用OPC UA作為信息存取的統(tǒng)一通信接口。其前提是創(chuàng)建基于IP的網(wǎng)絡(luò)，例如以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò)（WIFI或5G）并完成配置組態(tài)。網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建必須一次完成，不宜分期創(chuàng)建。接下去將各種來自機(jī)械設(shè)備和成套裝置的變量采用手動(dòng)的辦法訂閱。譬如先實(shí)現(xiàn)基于這些變量的狀態(tài)監(jiān)控的場景，這既可以降低停機(jī)時(shí)間，讓用戶看到明顯的利益，又在這個(gè)過程中滿足了OPC UA的基本要求，配置了OPC UA工具箱的相關(guān)模塊。
本地發(fā)現(xiàn)服務(wù)器（local discovery server, LDS）用來發(fā)現(xiàn)新擴(kuò)展的在一臺(tái)機(jī)械裝置或成套設(shè)備上的OPC UA服務(wù)器。對(duì)此，LDS不要求進(jìn)行附加的組態(tài)。而OPC UA客戶端（如來自MES或其它的機(jī)械裝置）可以用LDV來發(fā)現(xiàn)可用的OPC UA服務(wù)器和發(fā)現(xiàn)可供使用的信息安全選項(xiàng)。在這些信息的基礎(chǔ)上，OPC UA客戶端建立了與這些OPC UA服務(wù)器的連接。
接著要做的是全公司范圍的身份管理，即身份授權(quán)。對(duì)每一個(gè)項(xiàng)目都必須針對(duì)IT信息安全對(duì)存取權(quán)進(jìn)行組態(tài)，對(duì)身份進(jìn)行管理。對(duì)每一個(gè)OPC UA應(yīng)用程序的授權(quán)都需要驗(yàn)證識(shí)別。為了建立各個(gè)OPC UA應(yīng)用程序之間的安全連接，這些應(yīng)用程序必須相互證明其可信。第一步先用手動(dòng)的方式建立身份授權(quán)，然后進(jìn)行全公司級(jí)別的身份授權(quán)管理。
至此，各個(gè)OPC UA應(yīng)用程序的通信便可以通過OPC UA的SOA安全地進(jìn)行，用戶可以瀏覽之前導(dǎo)入的基本模型、讀寫變量、調(diào)用類函數(shù)和訂閱事件。系統(tǒng)（譬如ERP、MES和PLC）之間的通信可以采用手動(dòng)組態(tài)，例如把某個(gè)由PLC處理的能源測量值定期地發(fā)往MES。
進(jìn)入第二階段為了開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的信息模型可以參照細(xì)分行業(yè)的OPC UA伙伴規(guī)范。

一般而言伙伴規(guī)范總是建立在設(shè)備或設(shè)備集成的信息模型之上。信息模型描述設(shè)備的通用特性和功能性，及其可能操作的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；锇橐?guī)范定義細(xì)分行業(yè)的設(shè)備及其應(yīng)用，例如現(xiàn)場設(shè)備、PLC或某類機(jī)械裝置。運(yùn)用伙伴規(guī)范會(huì)提高可互操作性，并使用例做到即插即投入使用。在調(diào)試或改裝時(shí)，系統(tǒng)集成和自動(dòng)化公司目前都是要手動(dòng)調(diào)試控制程序，這些調(diào)試一般都根據(jù)手冊和非正式的記錄信息數(shù)據(jù)表，對(duì)于不同的制造廠商這些手冊和數(shù)據(jù)表各不相同。今后如果機(jī)械制造廠和成套設(shè)備廠都運(yùn)用伙伴規(guī)范，那么就具備了對(duì)這些廠進(jìn)行信息交換的存取能力。由于都是標(biāo)準(zhǔn)化的信息可資利用，要將一臺(tái)新的機(jī)械集成到一個(gè)成套設(shè)備中去很容易，再也沒有廠與廠之間的差異。這樣要把部件、機(jī)械、成套設(shè)備集成到MES系統(tǒng)，就很方便。如果已經(jīng)有了某個(gè)細(xì)分行業(yè)現(xiàn)成的伙伴規(guī)范，一定要使用；如果沒有現(xiàn)成的伙伴規(guī)范，也可以建立一個(gè)新的信息模型，然后以伙伴規(guī)范的形式予以標(biāo)準(zhǔn)化。在德國機(jī)械制造商協(xié)會(huì)VDMA承擔(dān)其為會(huì)員單位開發(fā)與OPC基金會(huì)合作的伙伴規(guī)范的工作。
表2給出OPC基金會(huì)有關(guān)OPC UA服務(wù)器的行規(guī)，根據(jù)設(shè)備的大小分別有納型嵌入式（Nano Embedded）  、微型嵌入式和嵌入式服務(wù)器行規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器行規(guī)，功能性也有相當(dāng)大的差別，因而對(duì)實(shí)現(xiàn)的硬件資源要求（如計(jì)算能力、內(nèi)存等）也有很大差異。順便指出，在OPC的概念中，OPC服務(wù)器是指提供數(shù)據(jù)的設(shè)備，OPC客戶端是指使用數(shù)據(jù)的設(shè)備。

表2：OPC UA服務(wù)器的行規(guī)
第三階段引入擴(kuò)展伙伴規(guī)范，是為了在標(biāo)準(zhǔn)化信息模型和獨(dú)立于制造廠的信息基本集合的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)不同制造廠的差異化的特性。例如有些機(jī)械設(shè)備可以提供基于制造廠的經(jīng)驗(yàn)和專有技術(shù)的節(jié)能優(yōu)化或者循環(huán)時(shí)間優(yōu)化的功能，這些功能并沒有標(biāo)準(zhǔn)化，那么便可以通過建立擴(kuò)展信息模型以明確的方式提供。而OPC UA的信息模型對(duì)非授權(quán)的存取具有良好的保護(hù)。
這里順便指出，OPC UA服務(wù)器可以容納多個(gè)信息模型，標(biāo)準(zhǔn)信息模型和擴(kuò)展信息模型可同時(shí)存在于一個(gè)OPC UA的應(yīng)用程序中。
OPC UA滿足工業(yè)4.0通信的要求。由圖5可知，基于OPC UA的工業(yè)4.0通信可以用在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0的分層遞階維度中所有層級(jí)的通信。OPC UA可以實(shí)現(xiàn)從最小的傳感器到跨企業(yè)各層級(jí)的通信。在RAMI4.0的另一維度，基于OPC UA的SOA信息存取運(yùn)用于通信層，而伙伴規(guī)范和擴(kuò)展信息模型屬于信息層的范疇。OPC UA也適合用于工業(yè)4.0基本單元的通信，以及連接設(shè)備（資產(chǎn)）與資產(chǎn)管理殼AAS。這后面一種情況則體現(xiàn)在集成層。

圖5：OPC UA在RAMI4.0中的位置
結(jié)束語
從目前的推進(jìn)形勢觀察，符合工業(yè)4.0要求的通信要獲得全面成熟的應(yīng)用，或許還要十年左右的時(shí)間。這不僅僅是因?yàn)樵S多相關(guān)的技術(shù)還處于開發(fā)、試驗(yàn)階段，因?yàn)樵S多標(biāo)準(zhǔn)尚待開發(fā)制定和國際化，還因?yàn)樯婕案髦饕I(yè)國家和新興工業(yè)國家相關(guān)法律的制定和通信運(yùn)營商之間的協(xié)商。工業(yè)4.0所要求的通信畢竟是前所未有的通信集成，牽涉到萬物（包括軟件和硬件）和企業(yè)、人員的互聯(lián)。當(dāng)然還有政治因素，全球化和反全球化的斗爭目前大有愈演愈烈之勢，可能對(duì)此也會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的影響。

作者簡介
作 者
彭 瑜：上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，PLCopen中國組織
編 審
孟采菽：《知識(shí)自動(dòng)化》主編