OPC統一構架 | 工業百條

【中文詞條】OPC統一架構

【英文詞條】OLE for Process Control Unified Architecture

【詞條正解】OPC UA是一個與平台無關的標準，使用該標準可以在不同類型網路上的客戶端和伺服器間發送消息，以實現不同類型系統和設備間的通信。OPC UA可用於現場設備、控制系統、各種軟體（MES、ERP）等，在工業過程領域交互信息、使用指令和執行控制。OPC UA定義了通用架構模型來實現這種信息交互。

（定義參考來源：OPC UA統一架構，GB/T 33863.1-2017/IEC/TR 62451-1:2010）

OPC UA在整個智能製造中的角色定位

OPC UA在工業通信中的角色

從最開始的繼電器邏輯沒有數據傳輸的需求，到分散式控制需要對遠程的信號進行採集，並可自由配置、編程、診斷，現場匯流排發揮了很大的作用，而各種匯流排的複雜使得大家目光聚焦到了乙太網技術，但是，為了避免標準乙太網的延遲，又開發了實時乙太網技術，但是，當企業需要對不同的設備進行互聯，並需要OT與IT進行融合時，又產生了語義互操作的問題。

工業互聯主要分為互聯、互通、語義互操作三個層面，一般工業匯流排是ISO模型中的三層架構，物理層、數據鏈路層與應用層，現場匯流排解決了互聯問題，當然，其應用層解決了互通問題——每個數據對應的具體參數（如CANopen的SDO和PDO對象字典），而OPC UA則扮演一個解決在不同的匯流排、應用平台間的語義互操作問題。

上圖中，CAN、Profibus等作為通信行規解決的是通信的協議、介面、數據訪問機制這些通信相關問題，而OPC UA則要解決參數語義、應用行為、動態功能這類「設備行規」的問題，這些跟具體的現場機器、設備相關的數據傳輸問題。

工業4.0/智能製造對於互聯的需求

工業4.0是一種互聯與集成，包括水平與垂直方向的集成，我們從下圖可以看到包含了IoS、IoT、CPS、Smart Factory多個維度的集成需求。

下表是對於這幾種應用對於通信的需求，包括互操作性、可視化、分散式、實時、面向服務的需求，這些與現場僅停留於通信行規層面不同，這些應用需求都是在設備層，尤其是對互操作是CPS、IoT、IoS、智能工廠的統一需求。

智能工廠的互聯需求

對於工廠而言，互聯集成的目的在於改善和優化：

☆ 如何連接這些工廠，獲得綜合的業務評估與改善：例如，將不同的車間的數據用於成本的評估，或者將數據採集後用於對生產工藝的改善分析，這些都是需要將來自於不同車間、產線的參數獲取，但是，不同的機器、產線、車間的系統來自於不同的廠商，採用不同的匯流排，這是困境。

☆ 如何改善性能：對於工廠運營經理而言，其需要獲得產線的OEE參數、能耗參數以確定如何進行調整產線，包括智能製造里的個性化生產、新的任務下發到每個現場機台，這些都是需要在不同的系統和網路里進行傳輸的，如何讓這些事情可以順利進行？

當然，為了實現這些目標，還有一些其他與標準、安全、獨立性、成本等相關的因素，如：

☆ 信息安全：必須確保連接到雲/霧或者邊緣計算平台的數據的安全性，如何確保安全的信息傳輸，這是必須予以考慮的問題。

☆ 標準：它得是國際標準，並且得有產業界的實際用戶認同才行。

☆ 獨立性：不要受制於具體的某些企業和公司，必須具有中立性的組織來運營技術。

為什麼採用OPC UA？

採用OPC UA主要有八個原因，下圖是根據技術、商業需求多個維度進行了總結。

圖中從多個角度闡述了為何OPC UA被聚焦為整個智能製造/工業4.0/物聯網架構的通信規約的原因。

OPC UA已經得到了許多重要的國際組織認同。

在德國工業4.0設計的RAMI4.0（Reference Architecture Manufacturing for Industry 4.0）中，OPC UA作為基礎的通信層實現標準，IEC62541，並且對信息層進行了定義，包括IEC通用數據字典IEC61360，以及eCI@ss。

OPC UA基金會的A級會員名單，包括了ABB、西門子、B&R、BECKHOFF、Bosch Rexroth、Rockwell AB這些主流的自動化廠商，以及Microsoft、SAP、Cisco、IBM這些來自IT世界的廠商，包括製造中的KUKA、Fanuc等機器人廠商，LEUZE、SICK等感測器廠商都加入了OPC UA基金會，成為主要會員。

因此可以想知，OPC UA獲得各個現場匯流排和垂直行業支持。一個來自於OPC UA基金會官方的信息顯示，包括了Profibus/Profinet的PI組織、POWERLINK的EPSG組織、Ethernet/IP的ODVA組織、SERCOSIII的Sercos International，以及EtherCAT的ETG組織都支持OPC UA，並在OPC UA的通信機制中扮演重要的角色，而同時，各個垂直行業的基金會組織也被納入到OPC UA架構之下，包括了包裝工業的OMAC/PackML、Euromap-塑料工業、汽車工業的AutomationML、機床工業領域的MTConnect等，以及PLCopen組織、ISA-針對MES系統的信息模型構建。而在2017年FDT/DTM、DDS也加入了OPC UA基金會。

信息模型是關鍵

其實OPC UA包括了傳輸協議（支持TCP二進位、Web Service的傳輸機制），右側是包括元信息模型的規範，OPC UA服務集提供連接、屬性管理、安全通信服務、瀏覽等多種與傳輸通信相關的服務子集。在基礎的信息模型中，OPC UA提供了標準的Web服務來訪問地址空間里的對象的框架，並確保信息的傳輸安全性。

事實上，無論我們討論工業4.0、智能製造還是IIoT，信息模型才是關鍵，例如：針對邊緣計算的策略規劃，我們需要明確產線上的數據有什麼樣的關聯關係？信息應該以什麼方式來組織、讀取、進行應用操作、顯示燈，為了這些必須建立有效的信息模型，這也是OICT融合的關鍵，在實現互聯互通後，如何構建信息模型，與生產流程、分析與優化的應用結合，OPC UA提供了統一的、標準的數據互聯介面，這是為何IIC的工業物聯網參考架構IIRA與工業4.0的RAMI4.0、中國製造2025所定義的數字化車間等將OPC UA定義為標準的原因。

OPC UA的基礎信息模型在於為訪問者提供了訪問與操作的標準，數據格式、語義的標準。

註：本詞條入選《智能製造術語解讀》一書，由中國電子信息產業發展研究院編，即將由電子工業出版社出版，敬請關注。

《工業百條》是《知識自動化》一個常設的欄目，收集新工業浪潮中值得解讀的概念，包括新老術語。旨在「用科普精神解讀專業術語」。如果大家發現值得解讀的術語或者概念，歡迎推薦。

作者：宋華振（貝加萊工業自動化市場經理，南山工業書院研究組，對各個產業的智能裝備與工廠集成有較深的認識）

編審：林雪萍（南山工業書院發起人，北京聯訊動力諮詢公司）