[QA]工业互联中不得不谈的OPC UA[2]

对于OPCUA和TSN技术，目前越发受到了产业的重视，关于工业互联网中的关键的规范与标准OPCUA必须予以充分了解，有时候真让人感慨，为什么那么多人，那么多号称工业互联网的公司在推进工业互联网，却鲜有人关注OPCUA这么重要的话题，这篇文章草稿倒是有很久了，发给丁研同学参考，给予了不少意见，特别分享给大家。

Q1.一定需要OPCUA吗？

没有OPCUA也并非不可以实现最为重要的互联中的“语义互操作"功能的，在这个方面也有诸如FDT/DTM面向流程工业，以及DDS、oneM2M、WebService等方式在不同层面来实现，但是考虑到以下几点，采用OPCUA就有其必要性：

（1）.功能融合：机理模型、机器视觉、预防性维护、控制逻辑、工业协议适配等彼此独立且碎片化的功能，需要借助OPCUA统一架构进行融合，从而使这些以异构化功能串联在一起，形成多样化的应用场景。

（2）.经济性需求：如果没有统一的语义操作规范，对于IT访问OT而言，就会意味着大量的编程接口，这样就无法实现IT访问OT的经济性—这是关键，伟大的规划如果缺乏经济性都是无法推动的，什么工业4.0，工业互联网，都是没有前途。

（3）.软件模块化设计需求：由于行业属性、厂商特征千变万化，使得基于SoA的OPCUA提供了模块化软件设计的便利，SoA即面向服务，服务独立于数据本身，仅是以需要进行读取OPCUAServer中的数据即可，这样便于程序的模块化设计，独立于数据与传输，仅需访问接口。

（4）.标准与规范：即使没有OPCUA连接也是可以实现的，只是会需要不同的公司针对不同的项目去编程，而这个工作如果有标准与规范，可以大幅度降低企业的开发消耗的时间—想想全国的智能制造项目可以省多少开发调试时间，就觉得好有必要的感觉吧？

事实上，并非没有其它的规范，或者也可以自行定义语义规范，考虑到其它已有的规范的局限性，以及OPCUA积极的吸收其它规范并统一化，结合目前众多厂商已经共识聚焦在OPCUA，并且OPCUA基金会的中立性和非盈利组织特性，这几个原因使得OPCUA在某种意义上是已经达成的共识性规范。

Q2.为什么说信息模型是OPCUA的核心？

OPCUA信息模型是数字孪生技术落地的重要组成部分，在工业4.0参考架构中，数字孪生被称为资产管理壳。资产管理壳（又称工业4.0组件）是构成CPS系统的基本组织单位，该基本单位通过将各类资产（物理资产与软件资产）套上一层数字外壳的方式，从而构建虚实融合的CPS数字空间。

图1-OPCUA是数字孪生技术落地的信息连接剂

工业现场的资产由“人机料法环”构成，这些资产可划分为物质型与非物质型两类：物质型资产（又称物理型资产）包括生产性装备、物料、摄像头、仓储设备、扫码枪、传感器、自动化系统等；非物质资产（又称软件资产）包括生产工艺、控制算法、分析算法、报警逻辑、数据文件等，如图2所示。

图2-OPCUA在资产管理方面的角色扮演

由于各类资产的异构化特性，因此需要借助标准化的数字外壳将它们彼此融合。数字外壳由信息、通讯、功能与业务四部分组成，信息用于对资产进行描述，并实时体现资产的状态：当资产的状态发生变化时，资产管理壳的信息也会随之发生改变；通讯用于将各类数字外壳串联在一起，从而确保各类“虚体”与“实体”的彼此联动，实现虚实融合；功能是用户开发的控制算法、视觉分析算法及协议解析逻辑；业务是自动化工程师根据实际现场所组态而成的工程。

图3-OPCUA的信息模型及通讯功能是实现资产管理壳信息层与通讯层的落地技术。

OPCUA提供了语义互操作能力，也提供了不同的传输机制，方法与调用，但是，OPCUA的核心主要体现在信息模型上，信息模型可以理解为“协同”而需要沟通的信息构建的模型，相较于传统的单机生产而言，信息模型是为了降低在系统配置、互操作方面的时间与精力消耗，进而降低系统的工程成本，事实上除了时间的消耗，不匹配的信息会导致各种出错的风险，以及不能匹配的功能。

Q3.OPCUA支持哪些传输机制？

图4来自UweSteinkrauss在2018年展会上关于OPCUA传输机制和信息模型扩展的架构，我们可以看到，OPCUA支持传统的Client/Server传输模式，为了响应更为广泛的大数据、云计算应用模式也融入了Pub/Sub的机制，如MQTT,AMQP,UDP都是属于Pub/Sub机制，Pub/Sub机制主要是为了增强信息交互的效率和实时性，包括TSN也被理解为一种Pub/Sub的支持通信方式。

图4-OPCUA的传输机制与模型扩展

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

Q4:是否需要不同行业的信息模型的集成？

这个问题也是被讨论到的，因为不同行业具有非常大的特殊性，例如：塑料工业可能会关注模具，而机床可能会关注主轴的信息，对于制药行业则关注审计追踪的功能，从这个角度来说，每个行业都有其独特属性，连接的必要性似乎不大，有些人觉得仅各个行业去做自己的信息模型即可，无需把他们统一起来。

但是

在一个大型的工厂里，典型的例如电子制造业，其工厂内就包含了注塑机的塑料件成型，钣金成型，以及后道产品包装，以及物流，这个对于一个工厂而言，各种垂直行业的信息模型都是可能需要的，那么，这就是OPCUA伙伴信息模型要解决的问题，与之对应的信息模型如下表：

表1-OPCUA的伙伴信息模型（行规）

Q5.在实现工业4.0中OPCUA扮演什么角色？

实际上，在RAMI4.0参考架构中，关于信息的传输、安全、信息访问、行规、扩展信息模型等均采用OPCUA来实现，通过OPCUA将不同的传输机制予以集成、安全机制纳入其架构、基础信息模型、垂直行业信息模型，使得OPCUA能够成为各个不同单元的数据交互的统一规范。

图5-通过OPCUA的工业4.0通信实现

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

图5比较全面的描述了OPCUA在实现整个工业4.0架构中的角色，涵盖：

（1）.在多个垂直层级（机器,产线,运营，支持）

（2）.多种应用场景：传输问题，安全通信，信息访问，行规问题；

（3）.全流程的数据交互问题：

图6是ZVEI在2017年就管理壳的结构文档，阐述了数据在工厂从供应商的设备级规划、设计、虚拟调试、生产再到机器制造商的全流程，再到整个工厂的全流程，从数字化设计、运营维护各层级，全流程的数据流如何被传输，基于管理壳的数据架构设计，而管理壳又被定义通过OPCUA来传输。

图6-管理壳涵盖整个智能制造的各个环节

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

Q.6OPCUA实现的业务与信息层次架构如何？

OPCUA的业务功能采用基于信息模型的“搭积木”方式进行构建，其核心思路是通过标准化的基础模型组件拼装成不同行业的领域模型组件；而后再由领域专家、实施工程师根据实际需求，使用领域模型组装出各场景的应用模型（如图7所示）。

图7-OPCUA的搭积木构建的信息架构（丁研提供）

OPCUA是实现资产管理壳的落地技术，采用该架构进行工业软件功能定义的过程如下：

（1）OPCUA负责制定一套通用、抽象且可扩展的信息模型（OPCUA基础信息模型）；

（2）各行业协会针对OPCUA基础模型进行扩展性定义，从而形成OPCUA行规模型；

（3）各工业软件厂商的开发人员，通过对行规模型的使用与二次开发，形成针对某一类应用场景的解决方案模型；

工程师在进行工程实施时，将使用已有的领域模型与解决方案模型，拼装出最终的应用场景模型（即应用场景的功能）。

图8-OPCUA信息模型实现层次结构（丁研提供）

图8即从OPCUA基础模型、行规（垂直行业）、厂商模型、应用模型四个层级进行了全景描述，相信此图可以清晰的为我们阐明OPCUA在整个工业互联中的角色。

它扮演的是一个粘合剂的角色，连接不同的软件单元，使得数据可以在不同的单元间进行传输，分享。

Q7.设备与资产的管理如何进行？

之前有朋友提及工业产线的编码问题，即，如何对不同的资产进行管理，包括了被加工的产品管理问题，其实，对于资产管理，OPCUA提供了AutoID的伙伴信息模型，通过AutoID(图9)，这些设备的信息，包括条码、二维码、RFID等多种形式进入产线的待加工产品，以及产线设备本身（如控制器、电机）等均可被管理，因此我们可以在信息模型中可以看到通过管理壳中的资产管理，预测性维护，能源管理即可将产线相关数据进行采集。

图9-OPCUA扩展AutoID信息模型用于资产信息输入

当然，AutoID只是一个具体的资产管理输入的环节，而对于资产管理本身是需要了解到AdmistrationShell的，图10是一个通用的管理壳结构，通过这个结构，数据可以被交互，当然，传输的方式是通过OPCUA的机制，这个是在各个版本的管理壳架构中都有描述的（ZVEI,Fraunhofer,Industries4.0组织等在过去几年发布了多个版本关于管理壳的介绍，可自行检索）。

图10-RAMI4.0架构中的信息标签举例

例如：针对电气系统的管理壳包括了诸如PLC、伺服驱动、气动执行机构等，其包括了设计、手册的基本组件，然后包括定位、磨损、能耗等数据的传输。

Q8.PLCopen与OPCUA的关系如何？

PLCopen提供了针对自动化系统程序开发的标准与规范，PLCopen与OPC基金会联合开发的IEC61131-3的OPCUA信息模型和相应的OPCUA的客户端和服务端的功能块规范，就可以用在由产品层和现场设备层，乃至控制设备层、车间层、工厂层、企业层，以及跨企业连接层中运用，起到符合工业4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。

通过使得PLCopen的Motion用于协同运动控制，完成产线的开发，同时通过PLCopen的OPCUA模块也可以将不同的机器在垂直和水平方向进行连接，从图11可知，PLCopenOPCUA主要体现在现场设备的互联（M2M）以及产线级、工作单元（工厂级）的连接。

图11-PLCopen与OPCUA的融合解决工厂信息集成问题

（Source:彭瑜,关于PLCopen在工业4.0中扮演的角色）

感谢来自和利时的研发经理丁研先生的修改意见，尤其是Q2和Q6基本上选择采用丁研的文档，在过去的几年里经常就OPCUA问题请教并交流，他对OPCUA的开发实践使得他对OPCUA的理解更为深刻，此文应该属于两个人合并的稿子，特别声明，并致谢丁研先生。