没有 OPC UA 就没有 Industrie 4.0

工业 4.0 和工业物联网（IIoT）面临的一个主要挑战是如何在不同行业之间安全、标准化地交换数据和信息，尤其是在设备、机器和服务之间。

早在 2015 年 4 月，工业 4.0 参考架构模型（RAMI 4.0）就推荐仅使用 IEC 标准 62541 OPC 统一架构（OPC UA）来实现通信层。2016 年 11 月，工业 4.0 平台发布了一份产品分类和宣传为“基础”、“就绪”或“完整”的清单。为了符合“工业 4.0 通信”标准，即使是最低类别，产品也需要通过 TCP/UDP 或 IP 网络地址可访问，并且至少需要集成 OPC UA 信息模型。因此，任何被宣传为“工业 4.0 兼容”的产品都必须具备 OPC UA 功能（要么集成，要么通过网关）。该清单还强调了 OPC UA 的信息建模特性。

OPC UA 不仅仅是一种协议

当谈到信息建模时，许多中小型企业会忽略 OPC UA，因为他们将 OPC UA 与其他协议（如 MQTT）进行比较，并认为它有局限性。我们经常听到这样的问题：“OPC UA 不能直接与云通信，对吧？”

首先，每一家设备和机器制造商都已经提供了隐含的信息模型和数据接口（通过各种协议）。人类已经学会了适应计算机的“思维方式”——记录下位、字节和十六进制代码的含义。这个充满能够提供面向服务架构（SoA）能力的设备的新世界帮助人类更快更轻松地理解“事物”，因为它们提供“服务”并描述其背后的含义。

在 IT 领域，SoA 并不是什么新鲜事物。然而，现在它已经延伸到了“事物”本身。这就是 OPC UA 发挥作用的地方，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的安全功能。德国 BSI（联邦信息安全办公室）在 2016 年 4 月以高度积极的评价发布了其对 OPC UA 的安全分析结果。 这是因为机器制造商可以完全控制数据，即他们可以有针对性和受控地分发数据，这使他们能够在大数据应用和数据分析中获得经济参与。

为了交换数据，OPC UA 结合了两种机制来实现各种场景：

• 一种客户端-服务器模型，在这种模型中，OPC UA 客户端使用 OPC UA 服务器提供的专用服务。这种点对点的方法提供了安全且确认的信息交换，但连接数量有限。

OPC Server服务器和OPC Client客户端！

• 一种发布者-订阅者模型，其中 OPC UA 服务器可以将可配置的信息子集提供给任意数量的订阅者。这种广播机制提供了未确认的“发送并忘记”风格的信息交换。

你知道吗？OPC UA除了C/S模型，还有Pub/Sub模型！

分布式工业 4.0 或 IIoT 系统中的 OT 与 IT 之间的数据交换

在连续和离散制造行业（如石油和天然气、能源生产、化工厂、汽车制造等）中，OT 与 IT 系统之间的数据交换遵循 ISA/ANSI 95 规定的指南。ISA/ANSI 95 标准化了企业应用程序与工业控制系统之间的自动化接口，并定义了技术与业务流程所适应的四个层级：

Level 0: Physical Processes（物理过程层级） 正在监控和控制的实际物理制造过程

Level 1: Sensing and Manipulating the Physical Processes（感知和操控物理过程层级） 能够感知变化并作用于物理过程的设备，如传感器、阀门和执行器

Level 2: Monitoring and Controlling the Physical Processes（监控和控制物理过程） 实时数据采集、计算和智能，由复杂的本地/边缘系统（如可编程逻辑控制器 PLC、分布式控制系统 DCS、监督控制系统 SCADA 等）负责执行实时过程控制。第二层系统与构成第三层的系统进行数据交换。

Level 3: Advanced Process Control (APC), Manufacturing Execution Systems, etc. 高级过程控制（APC）、制造执行系统等。 这些系统优化生产效率、工厂运营、维护等，从第 2 级系统获取过程数据。第 3 级系统包括跟踪原材料转化为成品的制造执行系统（MES）。 第 3 级系统与第 4 级系统的系统进行数据交换。

Level 4: Enterprise Planning & Business Operations 第 4 级：企业规划与业务运营 企业资源计划(ERP)系统通常构成企业的第 4 级。它负责跟踪、分析和控制包括供应链、物流、仓储、财务、人力资源等在内的更广泛的业务功能。ERP 系统不仅强制执行对过程控制系统（如 APC、DCS、PLC）的操作目标和边界，还会实时获取原材料和产品库存水平、工厂产能和操作数据的业务反馈，以优化整个业务，提高产品/服务质量、灵活性和客户体验。 第 4 级系统通常与其他第 2 级和第 3 级的系统集成并交换数据。

结论

OPC UA 已经成为自动化市场和 Industrie 4.0 的事实标准。结合 TSN 通信，OPC UA 也将具备实时能力。这不是为了推广另一种现场总线，而是为了为服务的交换创建可预测的时间基础。还有一些挑战，例如复杂 TSN 网络的配置，尚未解决。这也是为什么 OPC 基金会目前没有积极推广 OPC UA 和 TSN 的原因。

然而，OPC UA 覆盖的通信场景范围正在不断扩大，这使得供应商越来越难以为专有的解决方案辩护。产品将越来越多地根据设备本身或外部服务的特点来区分，而不是接口。未来，随着 OPC UA 成为全球最大的互操作性生态系统首选平台，其他行业的信息模型将迅速增长。

参考链接：

1. https://solace.com/blog/industry-4-0-iiot-data-opc-ua/
2. https://www.racoman.com/blog/industrial-protocols/fundamentals-of-opc-ua
3. https://opcconnect.opcfoundation.org/2017/06/there-is-no-industrie-4-0-without-opc-ua/