對(duì)于OPCUA和TSN技術(shù)，目前越發(fā)受到了產(chǎn)業(yè)的重視，關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)OPCUA必須予以充分了解，有時(shí)候真讓人感慨，為什么那么多人，那么多號(hào)稱工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的公司在推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，卻鮮有人關(guān)注OPCUA這么重要的話題，這篇文章草稿倒是有很久了，發(fā)給丁研同學(xué)參考，給予了不少意見，特別分享給大家。

Q1.一定需要OPCUA嗎？

沒有OPCUA也并非不可以實(shí)現(xiàn)最為重要的互聯(lián)中的“語(yǔ)義互操作"功能的，在這個(gè)方面也有諸如FDT/DTM面向流程工業(yè)，以及DDS、oneM2M、WebService等方式在不同層面來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是考慮到以下幾點(diǎn)，采用OPCUA就有其必要性：

（1）.功能融合：機(jī)理模型、機(jī)器視覺、預(yù)防性維護(hù)、控制邏輯、工業(yè)協(xié)議適配等彼此獨(dú)立且碎片化的功能，需要借助OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)進(jìn)行融合，從而使這些以異構(gòu)化功能串聯(lián)在一起，形成多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。

（2）.經(jīng)濟(jì)性需求：如果沒有統(tǒng)一的語(yǔ)義操作規(guī)范，對(duì)于IT訪問(wèn)OT而言，就會(huì)意味著大量的編程接口，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)IT訪問(wèn)OT的經(jīng)濟(jì)性—這是關(guān)鍵，偉大的規(guī)劃如果缺乏經(jīng)濟(jì)性都是無(wú)法推動(dòng)的，什么工業(yè)4.0，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都是沒有前途。

（3）.軟件模塊化設(shè)計(jì)需求：由于行業(yè)屬性、廠商特征千變?nèi)f化，使得基于SoA的OPCUA提供了模塊化軟件設(shè)計(jì)的便利，SoA即面向服務(wù)，服務(wù)獨(dú)立于數(shù)據(jù)本身，僅是以需要進(jìn)行讀取OPCUAServer中的數(shù)據(jù)即可，這樣便于程序的模塊化設(shè)計(jì)，獨(dú)立于數(shù)據(jù)與傳輸，僅需訪問(wèn)接口。

（4）.標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：即使沒有OPCUA連接也是可以實(shí)現(xiàn)的，只是會(huì)需要不同的公司針對(duì)不同的項(xiàng)目去編程，而這個(gè)工作如果有標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，可以大幅度降低企業(yè)的開發(fā)消耗的時(shí)間—想想全國(guó)的智能制造項(xiàng)目可以省多少開發(fā)調(diào)試時(shí)間，就覺得好有必要的感覺吧？

事實(shí)上，并非沒有其它的規(guī)范，或者也可以自行定義語(yǔ)義規(guī)范，考慮到其它已有的規(guī)范的局限性，以及OPCUA積極的吸收其它規(guī)范并統(tǒng)一化，結(jié)合目前眾多廠商已經(jīng)共識(shí)聚焦在OPCUA，并且OPCUA基金會(huì)的中立性和非盈利組織特性，這幾個(gè)原因使得OPCUA在某種意義上是已經(jīng)達(dá)成的共識(shí)性規(guī)范。

Q2.為什么說(shuō)信息模型是OPCUA的核心？

OPCUA信息模型是數(shù)字孿生技術(shù)落地的重要組成部分，在工業(yè)4.0參考架構(gòu)中，數(shù)字孿生被稱為資產(chǎn)管理殼。資產(chǎn)管理殼（又稱工業(yè)4.0組件）是構(gòu)成CPS系統(tǒng)的基本組織單位，該基本單位通過(guò)將各類資產(chǎn)（物理資產(chǎn)與軟件資產(chǎn)）套上一層數(shù)字外殼的方式，從而構(gòu)建虛實(shí)融合的CPS數(shù)字空間。

圖1-OPCUA是數(shù)字孿生技術(shù)落地的信息連接劑

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的資產(chǎn)由“人機(jī)料法環(huán)”構(gòu)成，這些資產(chǎn)可劃分為物質(zhì)型與非物質(zhì)型兩類：物質(zhì)型資產(chǎn)（又稱物理型資產(chǎn)）包括生產(chǎn)性裝備、物料、攝像頭、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、掃碼槍、傳感器、自動(dòng)化系統(tǒng)等；非物質(zhì)資產(chǎn)（又稱軟件資產(chǎn)）包括生產(chǎn)工藝、控制算法、分析算法、報(bào)警邏輯、數(shù)據(jù)文件等，如圖2所示。

圖2-OPCUA在資產(chǎn)管理方面的角色扮演

由于各類資產(chǎn)的異構(gòu)化特性，因此需要借助標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字外殼將它們彼此融合。數(shù)字外殼由信息、通訊、功能與業(yè)務(wù)四部分組成，信息用于對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行描述，并實(shí)時(shí)體現(xiàn)資產(chǎn)的狀態(tài)：當(dāng)資產(chǎn)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，資產(chǎn)管理殼的信息也會(huì)隨之發(fā)生改變；通訊用于將各類數(shù)字外殼串聯(lián)在一起，從而確保各類“虛體”與“實(shí)體”的彼此聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合；功能是用戶開發(fā)的控制算法、視覺分析算法及協(xié)議解析邏輯；業(yè)務(wù)是自動(dòng)化工程師根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)所組態(tài)而成的工程。

圖3-OPCUA的信息模型及通訊功能是實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理殼信息層與通訊層的落地技術(shù)。

OPCUA提供了語(yǔ)義互操作能力，也提供了不同的傳輸機(jī)制，方法與調(diào)用，但是，OPCUA的核心主要體現(xiàn)在信息模型上，信息模型可以理解為“協(xié)同”而需要溝通的信息構(gòu)建的模型，相較于傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)而言，信息模型是為了降低在系統(tǒng)配置、互操作方面的時(shí)間與精力消耗，進(jìn)而降低系統(tǒng)的工程成本，事實(shí)上除了時(shí)間的消耗，不匹配的信息會(huì)導(dǎo)致各種出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，以及不能匹配的功能。

Q3.OPCUA支持哪些傳輸機(jī)制？

圖4來(lái)自UweSteinkrauss在2018年展會(huì)上關(guān)于OPCUA傳輸機(jī)制和信息模型擴(kuò)展的架構(gòu)，我們可以看到，OPCUA支持傳統(tǒng)的Client/Server傳輸模式，為了響應(yīng)更為廣泛的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算應(yīng)用模式也融入了Pub/Sub的機(jī)制，如MQTT,AMQP,UDP都是屬于Pub/Sub機(jī)制，Pub/Sub機(jī)制主要是為了增強(qiáng)信息交互的效率和實(shí)時(shí)性，包括TSN也被理解為一種Pub/Sub的支持通信方式。

圖4-OPCUA的傳輸機(jī)制與模型擴(kuò)展

[Source:UweSteinkrauss,OPCUATechnicalIntroduction-basicconcept,AutomaticaMunich,2018]

Q4:是否需要不同行業(yè)的信息模型的集成？

這個(gè)問(wèn)題也是被討論到的，因?yàn)椴煌袠I(yè)具有非常大的特殊性，例如：塑料工業(yè)可能會(huì)關(guān)注模具，而機(jī)床可能會(huì)關(guān)注主軸的信息，對(duì)于制藥行業(yè)則關(guān)注審計(jì)追蹤的功能，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，每個(gè)行業(yè)都有其獨(dú)特屬性，連接的必要性似乎不大，有些人覺得僅各個(gè)行業(yè)去做自己的信息模型即可，無(wú)需把他們統(tǒng)一起來(lái)。

但是

在一個(gè)大型的工廠里，典型的例如電子制造業(yè)，其工廠內(nèi)就包含了注塑機(jī)的塑料件成型，鈑金成型，以及后道產(chǎn)品包裝，以及物流，這個(gè)對(duì)于一個(gè)工廠而言，各種垂直行業(yè)的信息模型都是可能需要的，那么，這就是OPCUA伙伴信息模型要解決的問(wèn)題，與之對(duì)應(yīng)的信息模型如下表：

表1-OPCUA的伙伴信息模型（行規(guī)）

Q5.在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0中OPCUA扮演什么角色？

實(shí)際上，在RAMI4.0參考架構(gòu)中，關(guān)于信息的傳輸、安全、信息訪問(wèn)、行規(guī)、擴(kuò)展信息模型等均采用OPCUA來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)OPCUA將不同的傳輸機(jī)制予以集成、安全機(jī)制納入其架構(gòu)、基礎(chǔ)信息模型、垂直行業(yè)信息模型，使得OPCUA能夠成為各個(gè)不同單元的數(shù)據(jù)交互的統(tǒng)一規(guī)范。

圖5-通過(guò)OPCUA的工業(yè)4.0通信實(shí)現(xiàn)

[Source:VDMA,Industrial4.0CommunicationguidelinebasedonOPCUA,2017]

圖5比較全面的描述了OPCUA在實(shí)現(xiàn)整個(gè)工業(yè)4.0架構(gòu)中的角色，涵蓋：

（1）.在多個(gè)垂直層級(jí)（機(jī)器,產(chǎn)線,運(yùn)營(yíng)，支持）

（2）.多種應(yīng)用場(chǎng)景：傳輸問(wèn)題，安全通信，信息訪問(wèn)，行規(guī)問(wèn)題；

（3）.全流程的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題：

圖6是ZVEI在2017年就管理殼的結(jié)構(gòu)文檔，闡述了數(shù)據(jù)在工廠從供應(yīng)商的設(shè)備級(jí)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、虛擬調(diào)試、生產(chǎn)再到機(jī)器制造商的全流程，再到整個(gè)工廠的全流程，從數(shù)字化設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)各層級(jí)，全流程的數(shù)據(jù)流如何被傳輸，基于管理殼的數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，而管理殼又被定義通過(guò)OPCUA來(lái)傳輸。

圖6-管理殼涵蓋整個(gè)智能制造的各個(gè)環(huán)節(jié)

Source:ZVEI,StructureofAdministrationShell,ContinuationoftheDevelopmentoftheReferenceModelfortheIndustrie4.0Component,2017.9.5

Q.6OPCUA實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)與信息層次架構(gòu)如何？

OPCUA的業(yè)務(wù)功能采用基于信息模型的“搭積木”方式進(jìn)行構(gòu)建，其核心思路是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)模型組件拼裝成不同行業(yè)的領(lǐng)域模型組件；而后再由領(lǐng)域?qū)＜?、?shí)施工程師根據(jù)實(shí)際需求，使用領(lǐng)域模型組裝出各場(chǎng)景的應(yīng)用模型（如圖7所示）。

圖7-OPCUA的搭積木構(gòu)建的信息架構(gòu)（丁研提供）

OPCUA是實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理殼的落地技術(shù)，采用該架構(gòu)進(jìn)行工業(yè)軟件功能定義的過(guò)程如下：

（1）OPCUA負(fù)責(zé)制定一套通用、抽象且可擴(kuò)展的信息模型（OPCUA基礎(chǔ)信息模型）；

（2）各行業(yè)協(xié)會(huì)針對(duì)OPCUA基礎(chǔ)模型進(jìn)行擴(kuò)展性定義，從而形成OPCUA行規(guī)模型；

（3）各工業(yè)軟件廠商的開發(fā)人員，通過(guò)對(duì)行規(guī)模型的使用與二次開發(fā)，形成針對(duì)某一類應(yīng)用場(chǎng)景的解決方案模型；

工程師在進(jìn)行工程實(shí)施時(shí)，將使用已有的領(lǐng)域模型與解決方案模型，拼裝出最終的應(yīng)用場(chǎng)景模型（即應(yīng)用場(chǎng)景的功能）。

圖8-OPCUA信息模型實(shí)現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)（丁研提供）

圖8即從OPCUA基礎(chǔ)模型、行規(guī)（垂直行業(yè)）、廠商模型、應(yīng)用模型四個(gè)層級(jí)進(jìn)行了全景描述，相信此圖可以清晰的為我們闡明OPCUA在整個(gè)工業(yè)互聯(lián)中的角色。

它扮演的是一個(gè)粘合劑的角色，連接不同的軟件單元，使得數(shù)據(jù)可以在不同的單元間進(jìn)行傳輸，分享。

Q7.設(shè)備與資產(chǎn)的管理如何進(jìn)行？

之前有朋友提及工業(yè)產(chǎn)線的編碼問(wèn)題，即，如何對(duì)不同的資產(chǎn)進(jìn)行管理，包括了被加工的產(chǎn)品管理問(wèn)題，其實(shí)，對(duì)于資產(chǎn)管理，OPCUA提供了AutoID的伙伴信息模型，通過(guò)AutoID(圖9)，這些設(shè)備的信息，包括條碼、二維碼、RFID等多種形式進(jìn)入產(chǎn)線的待加工產(chǎn)品，以及產(chǎn)線設(shè)備本身（如控制器、電機(jī)）等均可被管理，因此我們可以在信息模型中可以看到通過(guò)管理殼中的資產(chǎn)管理，預(yù)測(cè)性維護(hù)，能源管理即可將產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

圖9-OPCUA擴(kuò)展AutoID信息模型用于資產(chǎn)信息輸入

當(dāng)然，AutoID只是一個(gè)具體的資產(chǎn)管理輸入的環(huán)節(jié)，而對(duì)于資產(chǎn)管理本身是需要了解到AdmistrationShell的，圖10是一個(gè)通用的管理殼結(jié)構(gòu)，通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以被交互，當(dāng)然，傳輸?shù)姆绞绞峭ㄟ^(guò)OPCUA的機(jī)制，這個(gè)是在各個(gè)版本的管理殼架構(gòu)中都有描述的（ZVEI,Fraunhofer,Industries4.0組織等在過(guò)去幾年發(fā)布了多個(gè)版本關(guān)于管理殼的介紹，可自行檢索）。

圖10-RAMI4.0架構(gòu)中的信息標(biāo)簽舉例

例如：針對(duì)電氣系統(tǒng)的管理殼包括了諸如PLC、伺服驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，其包括了設(shè)計(jì)、手冊(cè)的基本組件，然后包括定位、磨損、能耗等數(shù)據(jù)的傳輸。

Q8.PLCopen與OPCUA的關(guān)系如何？

PLCopen提供了針對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，PLCopen與OPC基金會(huì)聯(lián)合開發(fā)的IEC61131-3的OPCUA信息模型和相應(yīng)的OPCUA的客戶端和服務(wù)端的功能塊規(guī)范，就可以用在由產(chǎn)品層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，乃至控制設(shè)備層、車間層、工廠層、企業(yè)層，以及跨企業(yè)連接層中運(yùn)用，起到符合工業(yè)4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。

通過(guò)使得PLCopen的Motion用于協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制，完成產(chǎn)線的開發(fā)，同時(shí)通過(guò)PLCopen的OPCUA模塊也可以將不同的機(jī)器在垂直和水平方向進(jìn)行連接，從圖11可知，PLCopenOPCUA主要體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)（M2M）以及產(chǎn)線級(jí)、工作單元（工廠級(jí)）的連接。

圖11-PLCopen與OPCUA的融合解決工廠信息集成問(wèn)題

（Source:彭瑜,關(guān)于PLCopen在工業(yè)4.0中扮演的角色）

感謝來(lái)自和利時(shí)的研發(fā)經(jīng)理丁研先生的修改意見，尤其是Q2和Q6基本上選擇采用丁研的文檔，在過(guò)去的幾年里經(jīng)常就OPCUA問(wèn)題請(qǐng)教并交流，他對(duì)OPCUA的開發(fā)實(shí)踐使得他對(duì)OPCUA的理解更為深刻，此文應(yīng)該屬于兩個(gè)人合并的稿子，特別聲明，并致謝丁研先生。