OPC UA – 工业 4.0 标准概述

        原则上，技术标准应该提高技术设备和组件的效率和互操作性。但是，我们经常发现相互竞争的标准，特别是在工业领域。在工业 4.0 时代以及日益联网的机器和系统时代，这变得更加棘手。

进入OPC UA，这是一个克服旧时代竞争的平台

        在工业化进程的早期，主要市场参与者意识到，如果在某些领域进行合作而不是对抗，最终每个人都会受益。早在 19 世纪后期，欧洲就成立了第一个标准化委员会。1 年，德国颁布了第一个工业标准——“Deutsche Industrie-Norm”（DIN1918）。

        但利益冲突从未完全消失，即使在各个标准化委员会内部也是如此。这些冲突意味着只能达成最低限度的协议。虽然这确实为基本属性和工艺制定了统一的规则，但不同的制造商仍然可以实现标准之外的更多功能和选项。

        这意味着，不同制造商制造的设备和技术组件仍然只是部分兼容。因此，不从单一供应商处采购所有东西的客户被迫不使用部分功能，或者必须投入精力自己创建它。

工业通信中的巴比伦混乱

        但是，对最低限度协议的限制并不是合作的唯一障碍。有时，即使是最低限度的协议也会缺失，取而代之的是存在相互竞争的标准。在工业领域，通信尤其如此。许多制造商已经创建了自己的“标准”，例如AS-i、CANopen、CC-Link、ControlNet、DeviceNet、Interbus和Profibus以及更多所谓的现场总线，用于在传感器、执行器和控制器之间传输数据和控制命令。

        IP网络标准的进步有可能克服这种巴比伦式的语言混乱。但是，标准以太网不足以满足工业部门的要求，在使其适应其特定需求时，工业网络创新的每个驱动力都回到了自己的马背上：三菱电机选择了 CC-Link IE，倍福选择了 Ethercat，罗克韦尔选择了 EtherNet/IP，施耐德电气选择了 Modbus TCP，贝加莱选择了 Powerlink， 西门子与Profinet合作，博世力士乐与Sercos合作。

        再一次地，客户被迫要么进入单一制造商的封闭世界，要么为开放付出高昂的代价。他们需要网关才能使用不同的协议连接各种网络字符串。

从工业 3.0 到工业 4.0

        因此，传感器测量值和简单控制命令的传输成为可能。然而，下一次创新飞跃暴露了新的问题。工业 4.0 的目标是将众多组件联网。这打破了“自动化金字塔”的垂直方向。现在，金字塔内有水平连接，不同机器、系统甚至生产设施之间也有横向连接，分布在全球各地。

        在此框架内，有意义的数据交换必须基于一致的数据标准。缺乏这样的约定是工业4.0发展的最大障碍之一，因为将来自不同来源的数据组合在一起——这个过程被称为“同质化”——需要大量的编程工作。数据格式、变量名称、元数据的类型和范围 - 一旦不同提供商的世界发生碰撞，可能的组合数量就令人难以置信。

        另一个问题是如何解释数据？仅仅因为项目具有相同的名称（例如，相同的变量名称），并且看起来相同（在数据格式、值范围等方面），不一定意味着它们的含义相同。然而，如果没有对要处理的数据的正确理解，基于数据的服务和商业模式的开发、生产和制造过程的跨机器控制或通过人工智能进行数据分析，都不可能成功。数据需要其适当的上下文才能成为实际信息。

        具有广泛地图服务的物联网平台提供了初步解决方案。提供商分析了各种不同的格式，并开发了相应的接口，允许将数据映射到通用的目标格式。

        另一种方法是在内部调整跨机器数据通信，这需要大量的手动工作。每次添加新机器或更换组件时，都存在需要再次调整程序的风险。因此，在这种情况下，仅涵盖最重要的数据，以保持工作可管理。但这反过来又意味着失去工业4.0提供的一些机会。

集中式标准：OPC UA

          开放平台通信统一架构 （OPC UA） 为这些问题提供了解决方案。它不是严格意义上的通信标准，因为 OPC UA 的基本部分位于OSI 层模型.

         相反，它是一种数据交换标准，是一种独立于平台、面向服务的架构 （SOA），不仅允许传输机器数据（例如控制值、测量值、参数等），还允许使用机器可读语义描述这些数据。它不仅考虑运行数据，还考虑机器的规格和功能。

        这种方法使不同网络节点之间的通信更简单、更高效，因为除了智能设备外，简单的传感器和执行器也可以相互联网。此外，它不仅处理（工业）物联网（IIoT / IoT）框架内的“事物”，而且还处理服务。

OPC基金会，维护和发展该标准，强调在OPC UA中实现的以下主要好处：

• 平台独立性：OPC UA既可用于嵌入式微控制器，也可用于基于云的基础设施。同样，OPC UA 独立于任何操作系统。
• 安全可靠：包括加密、身份验证和审核。整个开发基于“安全设计”方法。
• 扩展：能够在不干扰现有应用程序的情况下添加新功能。这使得近年来该标准的快速发展成为可能。
• 强大、全面的信息建模：用于定义复杂信息的选项。

        在制造商和用户、研究机构以及行业协会和标准化委员会等各种联盟的参与下，开发正在不断推进。

双重认可为IEC标准

        在OPC UA之前，它的前身OPC Classic不独立于平台。与COM/DCOM绑定对OPC的传播有很大帮助，但这种设计也有一些关键的缺点。出于这个原因，决定为OPC UA开发一个专用的通信堆栈，以取代COM/DCOM。OPC UA的初稿于2006年发布;2009 年，更新了许多部分。2016 年，该规范成为 IEC 62541 标准。从那时起，OPC UA就确立了自己作为机器通信的事实标准的地位。

        与工业 4.0 的紧密联系主要基于参考架构模型工业 4.0 （RAMI 4.0）.IEC PAS 4 中记录了工业 0.63088 概念作为三维功能模型的描述。其中包含的功能又参考了相应的IEC标准。唯一符合 RAMI 4.0 要求的通信标准被指定为IEC 62541 OPC UA标准.。

OPC UA：不是众多标准中的一个，而是数字化的核心组成部分

OPC UA的基本特性

        OPC UA 与传输方法无关。不同的协议连接器可用于不同的应用程序场景，例如高性能应用程序或 Web 浏览器访问。基于IP的通信，无线或通过工业以太网电缆，WAN和云连接，甚至现场总线协议 - OPC UA可以利用所有这些传输层。已通过 IANA 注册的端口 4840 为客户端-服务器连接实现了基于 TCP 的专用二进制协议。

        对于云，OPC UA 依赖于 MQTT 和 AMQP 等通用协议;在现场，还支持 UDP、RAW 以太网和 TSN 或 5G 等协议，用于确定性通信。可以添加其他协议，例如基于 UDP 的 QUIC;在客户端，还支持 Web 套接字。

        OPC标准作为面向服务的体系结构还包括基于通过服务访问信息模型的服务器/客户端模型。面向对象的服务器地址空间提供元数据和对象描述符。对象结构是通过引用对象实例及其基础类型定义形成的。它们也是面向对象的，可以通过继承进行扩展。

        由于 OPC UA 服务器同时携带其对象实例和关联的类型对象，因此 OPC UA 客户端可以导航任何 OPC UA 服务器的地址空间，以获取所有必要的实例和类型信息。对于以前未知的类型也是如此，允许使用即插即用，而无需事先配置设备。

        此外，用于网络中数据分发的发布/订阅模型已经存在了几年。“即发即弃”模型的基础是，一个实例（通常是 OPC UA 服务器）发布数据，而另一端（通常是 OPC UA 客户端）订阅数据。该连接由中间实例（面向消息的中间件）提供。它将发布者与订阅者分离，因此它们不需要相互了解。这允许高效的多对多通信。

        高安全性是OPC UA通信的基本要素。OPC基金会已经得到了德国联邦信息安全办公室的确认。OPC UA融合了公认的安全概念和标准，这些概念和标准也用于安全的互联网通信，如SSL、TLS和AES、用户和应用程序身份验证以及消息签名和数据加密。

特定于行业的扩展

        在 工业部门的不同分支（塑料制造、纺织工业、木材加工等）中，某些重叠和约定是描述机器、其功能和生成数据的信息模型的典型特征。将这些权利构建到OPC UA中可以增加标准的附加值，因为首先，它提供了行业特定的功能可供使用，其次，它增加了采用该标准的压力。

        这种特定于行业的扩展是在“配套规范”的框架内实现的。已经发布了十几个这样的规范，还有更多的规范正在开发中。例如，在德语世界，VDMA的众多工作组被委托制定行业特定标准。与所有其他信息模型一样，这些信息模型将根据 OPC UA 规范进行定义、打包和记录，因此它们可以很容易地提供给网络中的 OPC UA 服务器和客户端。

 OPC UA：不是众多标准中的一个，而是数字化的核心组成部分。

        从以前孤立的车间到通过云应用程序提供集中监控和标准化控制的网络化全球生产，还有很长的路要走。工业领域的大多数公司都处于介于这两个极端之间的发展阶段。但是，在组合数据、开发跨职能服务、使用智能功能时出现的问题总是一样的。

        机械制造业目前正处于艰难的转型阶段。一方面，客户的期望越来越高。他们需要更灵活、更智能的机器和系统，这些机器和系统易于重新配置，并且可以通过集中式应用程序进行监控甚至控制。更紧密的网络需要更多的编程工作，但不能保证代码的可重用性和可伸缩性。

        另一方面，OPC UA是一种通用解决方案，可以解决所有问题，至少在原则上是这样。但在这里，也必须付出巨大的努力，至少在最初阶段，直到获得所需的能力，建立工具和库，并成功完成第一个项目。鉴于行业代表、行业协会和标准化委员会推动OPC UA的发展和扩展，对相关技术的投资当然是合理的。

   OPC UA并不是许多未来适应性存疑的标准。它是工业领域日益网络化和数字化的核心组成部分，在某些时候将成为每台机器的必备品。

OPCUA 的最新工作

        如今，OPC UA 已成为本地、OT 环境、现场级通信 （OPC UA FX） 以及工业边缘应用中的工业互操作性标准。因此，OPC UA用户也希望通过创建安全、可互操作的云架构，利用他们在OPC UA信息模型和IT和云应用程序中的通信模式方面的现有投资也就不足为奇了。这些架构必须专注于数据分析、数字孪生、工业元宇宙和人工智能的开放式解决方案;但也避免了供应商锁定。他们必须进一步定义边缘到云和云到云的通信模式，以及将OPC UA信息模型安全地存储在云中的方法。

        值得庆幸的是，OPC基金会在前几年在这一领域建立了几个工作组，现在可以将它们合并到一个OPC UA云计划下。这也将有助于澄清这一领域看似重叠的国家和国际标准和其他举措。

OPC UA 云互操作性

OPC基金会重点关注OPC UA云互操作性的工作组列表：

1. UA Cloud Library – OPC UA 信息模型的可查询在线商店。
2. OPC UA over MQTT 工作组 – 从边缘到云以及从云到云的安全传输。
3. OPC UA over MQTT 原型组。
4. 基于 MQTT 测试平台的 OPC UA。
5. OPC UA REST 接口 – 基于云的 OPC UA 服务器访问。
6. OPC UA WoT Connectivity – 标准化的工业连接软件配置。
7. OPC UA 工业元宇宙工作组。
8. OPC UA AI 利用大型语言模型工作组（目前正在成立）。
9. OPC UA数据空间工作组（目前正在成立中）。

开源解决方案

以下是全面关注 OPC UA 云互操作性的开源参考解决方案列表：

1. UA Cloud Library：云中立参考实现。
2. UA Cloud Publisher：OPC UA PubSub 遥测发布者。
3. UA Cloud Commander：用于OPC UA服务器的在线命令和控制应用程序。
4. UA Cloud Action：一个基于云的应用程序，用于触发 UA Cloud Commander 的操作。
5. UA Cloud Dashboard：OPC UA PubSub 数据的在线仪表板。
6. UA Cloud Twin：用于 OPC UA PubSub 数据的数字孪生适配器，来自数字孪生联盟。
7. UA Cloud Viewer：OPC UA 信息模型的在线查看器。
8. AAS 存储库：支持 OPC UA 建模的资产管理 Shell 存储库。
9. UA Edge Translator：工业连接软件的参考实现。
10. IIoT 入门套件：一组基于 MQTT 的 OPC UA 的快速入门示例。

        OPC UA Cloud 计划指导委员会的目标是负责推荐、协调和指导各个技术工作组的活动，并创建最佳实践、整体参考架构以及开源参考实现，结合各个工作组的输出。

        这不仅将导致不同云解决方案之间更大的互操作性，并允许使用OPC UA信息模型在云中进行语义丰富的数据分析，而且还可以降低这些解决方案的成本。

在OPC基金会网站上查找更多信息：www.opcfoundation.org/cloud。

构建数字产品护照

数字产品护照即将到来。而且比你想象的要快！
       欧盟委员会将对数字产品护照（DPP）的规范进行投票。虽然该规范是以技术中立的方式编写的，实际上，为了实现委员会在2027年之前引入DPP的目标，这些实施需要现在就开始。

一个候选者：资产管理外壳
        资产管理外壳 （AAS） 由德国 Plattform Industrie 4.0 在过去 10 年中开发。它现在具有文件交换格式、技术中立的元模型和指定的 REST 接口，并且所有三者目前正在通过 IEC 进行标准化。AAS被评估为德国及其他地区财团制造供应的标准化数据交换框架。AAS规范的新所有者工业数字孪生协会（IDTA）也发布了几个数据模型模板。然而，AAS今天仍然缺乏开发和构建资产管理外壳和广泛采用的商业工具。

OPC UA：工业互操作性

        标准 在这一点上，将OPC UA纳入等式非常重要：OPC UA已被广泛采用，自2010年以来一直是IEC标准。

        大多数制造商都采用了OPC UA，有些甚至将其作为采购协议的要求。有一个非常大的商业OPC UA建模工具生态系统，OPC基金会免费提供超过153个标准化数据模型。顺便说一句，OPC基金会已接近达到1000名成员大关，并且其成员生态系统仍在呈指数级增长。如今，数以百万计的产品都在使用 OPC UA。

结合生态系统加速 DPP 

DPP的采用 不需要火箭科学家（尽管 OPC UA 也用于火箭！）就能弄清楚 AAS 和 OPC UA 技术如何实现并加速 DPP 的采用。

        今天 AAS 仍然缺乏的东西，OPC UA 可以覆盖，许多人认为 AAS 和 OPC UA 这两个生态系统的结合是制胜法宝。在这种情况下，这两种技术都可以发挥其优势：AAS 涵盖制造供应链中 DPP 的数据交换，而 OPC UA 涵盖 DPP 建模要求。

眼见为实
        大多数人只有在看到某件事的实际效果时才相信它可以起作用。因此，OPC基金会与合作伙伴清洁能源和智能制造创新研究所（CESMII）和数字孪生联盟（DTC）一起，在去年的德国智能生产解决方案（SPS）贸易展上建立了一个演示器，展示了AAS和OPC UA技术的结合。顺便说一句，这个演示器是在短短 3 天内建成的！它使用 OPC UA 对 DPP 进行建模，同时使用 AAS 文件交换格式以及 AAS REST 接口来分发 DPP。通过这种组合，可以轻松实现DPP的成功推出。

数字产品护照DPP

       工业 4.0 的数字产品护照包含一个全球唯一且机器可读的标识符，该标识符使不同用户能够以数字方式获得有关产品的信息。制造商、客户、用户和主管部门通过相同的标识符访问相关信息，例如文档、证书和标签。 

        工业 4.0 的数字产品护照建立在识别链路 （IEC 61406） 和资产管理外壳 （IEC 63278） 之上，这两个链路已经在工业中广泛使用。识别链接提供对产品信息的访问，该信息通过AAS构建，包括其子模型，并且可以统一解释。

标准

IEC 61406-1:2022 Identification Link - Part 1: General requirements

按照IEC 61406 标准所述，可通 过二维码或 NFC 标签链接唯 一资产标识

结束语 

        数字化智能制造正在欧洲稳步推进，但是，基于标准化和共识的数字化工作在我国却十分缓慢，这项工作不是依靠某一家企业能够做成的。而我国的标准化机构和行业协会技术协调，总体开发的能力不强。短期技术过于重视，长期发展不够重视是我们的通病。真正的学者不仅仅要提出目标，更要提出路线图和方法。