没有OPC UA就没有工业4.0

工业 4.0 和工业物联网(IIoT)所面临的巨大挑战是信息安全问题，不同行业的设备、机器和服务之间需要进行标准化的数据和信息交互。早在 2015年 4 月，工业 4.0 参考架构模型(RAMI 4.0)在通信层实施方面仅推荐使用符合 IEC 62541 标准的 OPC 统一架构(OPC UA)。2016 年 11 月，工业 4.0 组织就发布了“基本实现”、“准备实现”或“完全实现” 不同级别的产品分类和推广列表。为适应“工业 4.0 通信”标准，即使是最低类别产品也必须能够通过 TCP/UDP 或 IP 在网络上寻址，并至少要集成 OPC UA 信息模型。因此，任何被宣传为“适用于工业 4.0”的产品都必须具有 OPC UA 功能(集成或通过网关)。同时，产品列表也强调了 OPC UA 的信息建模属性。
 

OPC UA 不仅仅是通信协议 — 它包含更多
 

很多中小企业并不重视信息建模，因为这些中小企业总喜欢拿 OPC UA 和其它协议(如 MQTT)进行比较，并想当然地认为它具有局限性，因此，我们经常会听到诸如“OPC UA 无法直接与云通讯，是吗?”等类似的问题。
 

首先，每个设备和机器制造商已经提供了具有数据接口(通过各种协议)的隐式信息模型。人们已经学会适应了计算机的“思考”方式 — 记录位、字节和十六进制的含义。新世界充斥着各种设备，如果这些设备支持面向服务的架构(SoA)，就可以帮助人们更快速轻松地理解“物”本身，因为它们能够提供“服务”并描述其底层含义。SoA 在 IT 界早已不是新鲜事了，然而现在，SoA 已一直延伸到“物”本身。这就是 OPC UA 的用武之地，它为工业互操作性提供了框架。机器和设备制造商描述其系统的面向对象的信息，并定义访问权限以及集成信息安全功能。2016 年 4 月，德国 BSI(联邦信息技术研究所或联邦信息安全局)对 OPC UA 的数据安全进行了全面的分析之后公布了极为肯定的意见。这是因为机器制造商保持对数据的完全控制，即他们可以以有针对性和可控的方式分发数据，从而让他们能够参与到大数据应用和数据分析中。
 

为了交换数据，OPC UA 结合两种机制来实现各种场景：
 

– 客户端-服务器模式，OPC UA 客户端访问 OPC UA 服务器的专用服务。这种对等方式提供了信息安全和确定的信息交换，但对连接数量有限制。
 

– 发布者-订阅者模式，其中 OPC UA 服务器通过配置信息子集可供任意数量的订阅者使用。这种广播机制提供了一个无需信息确认的“即发即弃”的信息交换方式。
 

OPC UA 提供了这两种通讯机制，但更重要的一点是：它独立于实际通讯协议。TCP 和 HTTPS 可用于客户端-服务器模式，而 UDP、AMQP 和 MQTT 可用于发布-订阅模式。因此，“是 OPC UA 或 AMQP 还是 MQTT”的问题从 OPC 基金会的观点来看无关紧要。由于最小的微控制器可能没有足够的资源实现完整的 OPC UA，因此设备可以通过 MQTT 或 AMQP 以“OPC UA 兼容”的方式提供数据，从而使其更轻松地集成到另一端。毕竟，统一信息模型和数据的含义是实现工业 4.0 的关键。
 

趋势：信息模型
 

OPC UA 通过多种可扩展协议实现数据安全的传输，但由谁来定义数据含义呢?诸如 AIM 自动识别技术协会(RFID 阅读器，扫描仪等)、VDMA 的注塑机、机器人或机器视觉技术组、以及其他 35 个 VDMA 涉足的行业已经在 OPC UA 服务器中定义相关的信息，即所谓的 OPC UA 配套规范。对于设备供应商来说，符合这种行业标准并不意味着数据即可交换，因为每个制造商都可以在标准的最上层添加自己的特殊服务。智能设备必须能够同时支持多种信息模型，如注塑机的专用功能，以及能源数据模型或 MES 接口模型。为了降低工程成本，这些适用特定行业或跨行业的信息模型会在未来有飞速发展。OPC UA 可能不会直接给工业设备供应商带来销售额的增长，但不支持 OPC UA 标准，销售额肯定会大幅下降。
 

趋势：SoA
 

目前开发的大多数行业特定的信息模型不再基于位/字节属性的交换，而是基于具有复杂参数的 SoA 服务。与 OPC UA 服务器通信时，OPC UA 客户端不支持函数或者复杂参数的调用将日益受到限制。RFID 阅读器将不再是通过位来激活读写命令，而是使用可以由人类读懂的方式来调用函数：ReadTag、WriteTag 和 KillTag 等。OPC UA 是 SoA 实施模型的理想选择，这也是为什么德国电气电子信息技术委员会(DKE)将 OPC UA 列为唯一的 SoA 解决方案。
 

趋势：服务到服务
 

OPC UA 提供从传感器到企业 IT 层的一致的可扩展性，给自动化金字塔带来很大的冲击。尽管这个金字塔将继续存在于工厂的组织架构中，但 OPC UA 完全绕过了通讯金字塔。设备可以直接或并行地将数据传输给 PLC、MES、ERP 系统或云端。供应商在这里看到了新的商机。例如，制造商可以将条形码或RFID预装在设备上，客户只需要扫描条形码或读取 RFID 信息即可付费。
 

趋势：基于芯片的 OPC UA
 

OPC UA 将继续被集成到更小的设备和传感器中。目前行业中使用的最小的 OPC UA 软件解决方案只具备有限(但可读)的功能，仅需 35 KB 的 RAM 和 240 KB 的闪存资源。现在，集成有 OPC UA 功能的第一批芯片已经进入市场，OPC UA 可以进一步打入传感器市场。因此，OPC UA 应用已经从自动化的核心领域延伸到其它领域，如厨房电器等。
 

总结