對于OPCUA和TSN技術，目前越發(fā)受到了產業(yè)的重視，關于工業(yè)互聯(lián)網中的關鍵的規(guī)范與標準OPCUA必須予以充分了解，有時候真讓人感慨，為什么那么多人，那么多號稱工業(yè)互聯(lián)網的公司在推進工業(yè)互聯(lián)網，卻鮮有人關注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也并非不可以實現(xiàn)最為重要的互聯(lián)中的“語義互操作"功能的，在這個方面也有諸如FDT/DTM面向流程工業(yè)，以及DDS、oneM2M、WebService等方式在不同層面來實現(xiàn)，但是考慮到以下幾點，采用OPCUA就有其必要性：

（1）.功能融合：機理模型、機器視覺、預防性維護、控制邏輯、工業(yè)協(xié)議適配等彼此獨立且碎片化的功能，需要借助OPCUA統(tǒng)一架構進行融合，從而使這些以異構化功能串聯(lián)在一起，形成多樣化的應用場景。

（2）.經濟性需求：如果沒有統(tǒng)一的語義操作規(guī)范，對于IT訪問OT而言，就會意味著大量的編程接口，這樣就無法實現(xiàn)IT訪問OT的經濟性—這是關鍵，偉大的規(guī)劃如果缺乏經濟性都是無法推動的，什么工業(yè)4.0，工業(yè)互聯(lián)網，都是沒有前途。

（3）.軟件模塊化設計需求：由于行業(yè)屬性、廠商特征千變萬化，使得基于SoA的OPCUA提供了模塊化軟件設計的便利，SoA即面向服務，服務獨立于數據本身，僅是以需要進行讀取OPCUAServer中的數據即可，這樣便于程序的模塊化設計，獨立于數據與傳輸，僅需訪問接口。

（4）.標準與規(guī)范：即使沒有OPCUA連接也是可以實現(xiàn)的，只是會需要不同的公司針對不同的項目去編程，而這個工作如果有標準與規(guī)范，可以大幅度降低企業(yè)的開發(fā)消耗的時間—想想全國的智能制造項目可以省多少開發(fā)調試時間，就覺得好有必要的感覺吧？

事實上，并非沒有其它的規(guī)范，或者也可以自行定義語義規(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，結合目前眾多廠商已經共識聚焦在OPCUA，并且OPCUA基金會的中立性和非盈利組織特性，這幾個原因使得OPCUA在某種意義上是已經達成的共識性規(guī)范。

Q2.為什么說信息模型是OPCUA的核心？

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

圖1-OPCUA是數字孿生技術落地的信息連接劑

工業(yè)現(xiàn)場的資產由“人機料法環(huán)”構成，這些資產可劃分為物質型與非物質型兩類：物質型資產（又稱物理型資產）包括生產性裝備、物料、攝像頭、倉儲設備、掃碼槍、傳感器、自動化系統(tǒng)等；非物質資產（又稱軟件資產）包括生產工藝、控制算法、分析算法、報警邏輯、數據文件等，如圖2所示。

圖2-OPCUA在資產管理方面的角色扮演

由于各類資產的異構化特性，因此需要借助標準化的數字外殼將它們彼此融合。數字外殼由信息、通訊、功能與業(yè)務四部分組成，信息用于對資產進行描述，并實時體現(xiàn)資產的狀態(tài)：當資產的狀態(tài)發(fā)生變化時，資產管理殼的信息也會隨之發(fā)生改變；通訊用于將各類數字外殼串聯(lián)在一起，從而確保各類“虛體”與“實體”的彼此聯(lián)動，實現(xiàn)虛實融合；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)務是自動化工程師根據實際現(xiàn)場所組態(tài)而成的工程。

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

OPCUA提供了語義互操作能力，也提供了不同的傳輸機制，方法與調用，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建的模型，相較于傳統(tǒng)的單機生產而言，信息模型是為了降低在系統(tǒng)配置、互操作方面的時間與精力消耗，進而降低系統(tǒng)的工程成本，事實上除了時間的消耗，不匹配的信息會導致各種出錯的風險，以及不能匹配的功能。

Q3.OPCUA支持哪些傳輸機制？

圖4來自UweSteinkrauss在2018年展會上關于OPCUA傳輸機制和信息模型擴展的架構，我們可以看到，OPCUA支持傳統(tǒng)的Client/Server傳輸模式，為了響應更為廣泛的大數據、云計算應用模式也融入了Pub/Sub的機制，如MQTT,AMQP,UDP都是屬于Pub/Sub機制，Pub/Sub機制主要是為了增強信息交互的效率和實時性，包括TSN也被理解為一種Pub/Sub的支持通信方式。

圖4-OPCUA的傳輸機制與模型擴展

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

Q4:是否需要不同行業(yè)的信息模型的集成？

這個問題也是被討論到的，因為不同行業(yè)具有非常大的特殊性，例如：塑料工業(yè)可能會關注模具，而機床可能會關注主軸的信息，對于制藥行業(yè)則關注審計追蹤的功能，從這個角度來說，每個行業(yè)都有其獨特屬性，連接的必要性似乎不大，有些人覺得僅各個行業(yè)去做自己的信息模型即可，無需把他們統(tǒng)一起來。

但是

在一個大型的工廠里，典型的例如電子制造業(yè)，其工廠內就包含了注塑機的塑料件成型，鈑金成型，以及后道產品包裝，以及物流，這個對于一個工廠而言，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題，與之對應的信息模型如下表：

表1-OPCUA的伙伴信息模型（行規(guī)）

Q5.在實現(xiàn)工業(yè)4.0中OPCUA扮演什么角色？

實際上，在RAMI4.0參考架構中，關于信息的傳輸、安全、信息訪問、行規(guī)、擴展信息模型等均采用OPCUA來實現(xiàn)，通過OPCUA將不同的傳輸機制予以集成、安全機制納入其架構、基礎信息模型、垂直行業(yè)信息模型，使得OPCUA能夠成為各個不同單元的數據交互的統(tǒng)一規(guī)范。

圖5-通過OPCUA的工業(yè)4.0通信實現(xiàn)

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

圖5比較全面的描述了OPCUA在實現(xiàn)整個工業(yè)4.0架構中的角色，涵蓋：

（1）.在多個垂直層級（機器,產線,運營，支持）

（2）.多種應用場景：傳輸問題，安全通信，信息訪問，行規(guī)問題；

（3）.全流程的數據交互問題：

圖6是ZVEI在2017年就管理殼的結構文檔，闡述了數據在工廠從供應商的設備級規(guī)劃、設計、虛擬調試、生產再到機器制造商的全流程，再到整個工廠的全流程，從數字化設計、運營維護各層級，全流程的數據流如何被傳輸，基于管理殼的數據架構設計，而管理殼又被定義通過OPCUA來傳輸。

圖6-管理殼涵蓋整個智能制造的各個環(huán)節(jié)

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

Q.6OPCUA實現(xiàn)的業(yè)務與信息層次架構如何？

OPCUA的業(yè)務功能采用基于信息模型的“搭積木”方式進行構建，其核心思路是通過標準化的基礎模型組件拼裝成不同行業(yè)的領域模型組件；而后再由領域專家、實施工程師根據實際需求，使用領域模型組裝出各場景的應用模型（如圖7所示）。

圖7-OPCUA的搭積木構建的信息架構（丁研提供）

OPCUA是實現(xiàn)資產管理殼的落地技術，采用該架構進行工業(yè)軟件功能定義的過程如下：

（1）OPCUA負責制定一套通用、抽象且可擴展的信息模型（OPCUA基礎信息模型）；

（2）各行業(yè)協(xié)會針對OPCUA基礎模型進行擴展性定義，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，通過對行規(guī)模型的使用與二次開發(fā)，形成針對某一類應用場景的解決方案模型；

工程師在進行工程實施時，將使用已有的領域模型與解決方案模型，拼裝出最終的應用場景模型（即應用場景的功能）。

圖8-OPCUA信息模型實現(xiàn)層次結構（丁研提供）

圖8即從OPCUA基礎模型、行規(guī)（垂直行業(yè)）、廠商模型、應用模型四個層級進行了全景描述，相信此圖可以清晰的為我們闡明OPCUA在整個工業(yè)互聯(lián)中的角色。

它扮演的是一個粘合劑的角色，連接不同的軟件單元，使得數據可以在不同的單元間進行傳輸，分享。

Q7.設備與資產的管理如何進行？

之前有朋友提及工業(yè)產線的編碼問題，即，如何對不同的資產進行管理，包括了被加工的產品管理問題，其實，對于資產管理，OPCUA提供了AutoID的伙伴信息模型，通過AutoID(圖9)，這些設備的信息，包括條碼、二維碼、RFID等多種形式進入產線的待加工產品，以及產線設備本身（如控制器、電機）等均可被管理，因此我們可以在信息模型中可以看到通過管理殼中的資產管理，預測性維護，能源管理即可將產線相關數據進行采集。

圖9-OPCUA擴展AutoID信息模型用于資產信息輸入

當然，AutoID只是一個具體的資產管理輸入的環(huán)節(jié)，而對于資產管理本身是需要了解到AdmistrationShell的，圖10是一個通用的管理殼結構，通過這個結構，數據可以被交互，當然，傳輸的方式是通過OPCUA的機制，這個是在各個版本的管理殼架構中都有描述的（ZVEI,Fraunhofer,Industries4.0組織等在過去幾年發(fā)布了多個版本關于管理殼的介紹，可自行檢索）。

圖10-RAMI4.0架構中的信息標簽舉例

例如：針對電氣系統(tǒng)的管理殼包括了諸如PLC、伺服驅動、氣動執(zhí)行機構等，其包括了設計、手冊的基本組件，然后包括定位、磨損、能耗等數據的傳輸。

Q8.PLCopen與OPCUA的關系如何？

PLCopen提供了針對自動化系統(tǒng)程序開發(fā)的標準與規(guī)范，PLCopen與OPC基金會聯(lián)合開發(fā)的IEC61131-3的OPCUA信息模型和相應的OPCUA的客戶端和服務端的功能塊規(guī)范，就可以用在由產品層和現(xiàn)場設備層，乃至控制設備層、車間層、工廠層、企業(yè)層，以及跨企業(yè)連接層中運用，起到符合工業(yè)4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。

通過使得PLCopen的Motion用于協(xié)同運動控制，完成產線的開發(fā)，同時通過PLCopen的OPCUA模塊也可以將不同的機器在垂直和水平方向進行連接，從圖11可知，PLCopenOPCUA主要體現(xiàn)在現(xiàn)場設備的互聯(lián)（M2M）以及產線級、工作單元（工廠級）的連接。

圖11-PLCopen與OPCUA的融合解決工廠信息集成問題

（Source:彭瑜,關于PLCopen在工業(yè)4.0中扮演的角色）

感謝來自和利時的研發(fā)經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，在過去的幾年里經常就OPCUA問題請教并交流，他對OPCUA的開發(fā)實踐使得他對OPCUA的理解更為深刻，此文應該屬于兩個人合并的稿子，特別聲明，并致謝丁研先生。