對於OPC UA和TSN技術，目前越發受到了產業的重視，關於工業互聯網中的關鍵的規範與標準OPC UA必須予以充分了解，有時候真讓人感慨，爲什麼那麼多人，那麼多號稱工業互聯網的公司在推進工業互聯網，卻鮮有人關注OPC UA這麼重要的話題，這篇文章草稿倒是有很久了，發給丁研同學參考，給予了不少意見，特別分享給大家。

Q1.一定需要OPC UA嗎？

沒有OPC UA也並非不可以實現最爲重要的互聯中的“語義互操作"功能的，在這個方面也有諸如FDT/DTM面向流程工業，以及DDS、oneM2M、Web Service等方式在不同層面來實現，但是考慮到以下幾點，採用OPC UA就有其必要性：

（1）.功能融合：機理模型、機器視覺、預防性維護、控制邏輯、工業協議適配等彼此獨立且碎片化的功能，需要藉助OPC UA統一架構進行融合，從而使這些以異構化功能串聯在一起，形成多樣化的應用場景。

（2）.經濟性需求：如果沒有統一的語義操作規範，對於IT訪問OT而言，就會意味着大量的編程接口，這樣就無法實現IT訪問OT的經濟性—這是關鍵，偉大的規劃如果缺乏經濟性都是無法推動的，什麼工業4.0，工業互聯網，都是沒有前途。

（3）.軟件模塊化設計需求：由於行業屬性、廠商特徵千變萬化，使得基於SoA的OPC UA提供了模塊化軟件設計的便利，SoA即面向服務，服務獨立於數據本身，僅是以需要進行讀取OPC UA Server中的數據即可，這樣便於程序的模塊化設計，獨立於數據與傳輸，僅需訪問接口。

（4）.標準與規範：即使沒有OPC UA連接也是可以實現的，只是會需要不同的公司針對不同的項目去編程，而這個工作如果有標準與規範，可以大幅度降低企業的開發消耗的時間—想想全國的智能製造項目可以省多少開發調試時間，就覺得好有必要的感覺吧？

事實上，並非沒有其它的規範，或者也可以自行定義語義規範，考慮到其它已有的規範的侷限性，以及OPC UA積極的吸收其它規範並統一化，結合目前衆多廠商已經共識聚焦在OPC UA，並且OPC UA基金會的中立性和非盈利組織特性，這幾個原因使得OPC UA在某種意義上是已經達成的共識性規範。

Q2.爲什麼說信息模型是OPC UA的核心？

OPCUA信息模型是數字孿生技術落地的重要組成部分，在工業4.0參考架構中，數字孿生被稱爲資產管理殼。資產管理殼（又稱工業4.0組件）是構成CPS系統的基本組織單位，該基本單位通過將各類資產（物理資產與軟件資產）套上一層數字外殼的方式，從而構建虛實融合的CPS數字空間。

圖1-OPC UA是數字孿生技術落地的信息連接劑

工業現場的資產由“人機料法環”構成，這些資產可劃分爲物質型與非物質型兩類：物質型資產（又稱物理型資產）包括生產性裝備、物料、攝像頭、倉儲設備、掃碼槍、傳感器、自動化系統等；非物質資產（又稱軟件資產）包括生產工藝、控制算法、分析算法、報警邏輯、數據文件等，如圖2所示。

圖2-OPC UA在資產管理方面的角色扮演

由於各類資產的異構化特性，因此需要藉助標準化的數字外殼將它們彼此融合。數字外殼由信息、通訊、功能與業務四部分組成，信息用於對資產進行描述，並實時體現資產的狀態：當資產的狀態發生變化時，資產管理殼的信息也會隨之發生改變；通訊用於將各類數字外殼串聯在一起，從而確保各類“虛體”與“實體”的彼此聯動，實現虛實融合；功能是用戶開發的控制算法、視覺分析算法及協議解析邏輯；業務是自動化工程師根據實際現場所組態而成的工程。

圖3-OPC UA的信息模型及通訊功能是實現資產管理殼信息層與通訊層的落地技術。

OPCUA提供了語義互操作能力，也提供了不同的傳輸機制，方法與調用，但是，OPC UA的核心主要體現在信息模型上，信息模型可以理解爲 “協同”而需要溝通的信息構建的模型，相較於傳統的單機生產而言，信息模型是爲了降低在系統配置、互操作方面的時間與精力消耗，進而降低系統的工程成本，事實上除了時間的消耗，不匹配的信息會導致各種出錯的風險，以及不能匹配的功能。

Q3.OPCUA支持哪些傳輸機制？

圖4來自Uwe Steinkrauss在2018年展會上關於OPC UA傳輸機制和信息模型擴展的架構，我們可以看到，OPC UA支持傳統的Client/Server傳輸模式，爲了響應更爲廣泛的大數據、雲計算應用模式也融入了Pub/Sub的機制，如MQTT,AMQP,UDP都是屬於Pub/Sub機制，Pub/Sub機制主要是爲了增強信息交互的效率和實時性，包括TSN也被理解爲一種Pub/Sub的支持通信方式。

圖4-OPC UA的傳輸機制與模型擴展

[Source:Uwe Steinkrauss,OPC UA TechnicalIntroduction-basic concept, Automatica Munich,2018]

Q4:是否需要不同行業的信息模型的集成？

這個問題也是被討論到的，因爲不同行業具有非常大的特殊性，例如：塑料工業可能會關注模具，而機牀可能會關注主軸的信息，對於製藥行業則關注審計追蹤的功能，從這個角度來說，每個行業都有其獨特屬性，連接的必要性似乎不大，有些人覺得僅各個行業去做自己的信息模型即可，無需把他們統一起來。

但是在一個大型的工廠裏，典型的例如電子製造業，其工廠內就包含了注塑機的塑料件成型，鈑金成型，以及後道產品包裝，以及物流，這個對於一個工廠而言，各種垂直行業的信息模型都是可能需要的，那麼，這就是OPC UA夥伴信息模型要解決的問題，與之對應的信息模型如下表：

表1-OPC UA的夥伴信息模型（行規）

Q5.在實現工業4.0中OPC UA扮演什麼角色？

實際上，在RAMI4.0參考架構中，關於信息的傳輸、安全、信息訪問、行規、擴展信息模型等均採用OPC UA來實現，通過OPC UA將不同的傳輸機制予以集成、安全機制納入其架構、基礎信息模型、垂直行業信息模型，使得OPC UA能夠成爲各個不同單元的數據交互的統一規範。

圖5-通過OPC UA的工業4.0通信實現

[Source: VDMA,Industrial 4.0 Communicationguideline based on OPC UA,2017]

圖5比較全面的描述了OPCUA在實現整個工業4.0架構中的角色，涵蓋：

（1）.在多個垂直層級（機器,產線,運營，支持）

（2）.多種應用場景：傳輸問題，安全通信，信息訪問，行規問題；

（3）.全流程的數據交互問題：

圖6是ZVEI在2017年就管理殼的結構文檔，闡述了數據在工廠從供應商的設備級規劃、設計、虛擬調試、生產再到機器製造商的全流程，再到整個工廠的全流程，從數字化設計、運營維護各層級，全流程的數據流如何被傳輸，基於管理殼的數據架構設計，而管理殼又被定義通過OPC UA來傳輸。

圖6-管理殼涵蓋整個智能製造的各個環節

Source:ZVEI,Structure of AdministrationShell,Continuation of theDevelopment of the Reference Model for the Industrie 4.0 Component,2017.9.5

Q.6OPC UA實現的業務與信息層次架構如何？

OPC UA的業務功能採用基於信息模型的“搭積木”方式進行構建，其核心思路是通過標準化的基礎模型組件拼裝成不同行業的領域模型組件；而後再由領域專家、實施工程師根據實際需求，使用領域模型組裝出各場景的應用模型（如圖7所示）。

圖7-OPC UA的搭積木構建的信息架構（丁研提供）

OPC UA是實現資產管理殼的落地技術，採用該架構進行工業軟件功能定義的過程如下：

（1）OPC UA負責制定一套通用、抽象且可擴展的信息模型（OPC UA基礎信息模型）；

（2）各行業協會針對OPCUA基礎模型進行擴展性定義，從而形成OPC UA行規模型；

（3）各工業軟件廠商的開發人員，通過對行規模型的使用與二次開發，形成針對某一類應用場景的解決方案模型；

工程師在進行工程實施時，將使用已有的領域模型與解決方案模型，拼裝出最終的應用場景模型（即應用場景的功能）。

圖8-OPC UA信息模型實現層次結構（丁研提供）

圖8即從OPC UA基礎模型、行規（垂直行業）、廠商模型、應用模型四個層級進行了全景描述，相信此圖可以清晰的爲我們闡明OPC UA在整個工業互聯中的角色。

它扮演的是一個粘合劑的角色，連接不同的軟件單元，使得數據可以在不同的單元間進行傳輸，分享。

Q7.設備與資產的管理如何進行？

之前有朋友提及工業產線的編碼問題，即，如何對不同的資產進行管理，包括了被加工的產品管理問題，其實，對於資產管理，OPCUA提供了AutoID的夥伴信息模型，通過AutoID(圖9)，這些設備的信息，包括條碼、二維碼、RFID等多種形式進入產線的待加工產品，以及產線設備本身（如控制器、電機）等均可被管理，因此我們可以在信息模型中可以看到通過管理殼中的資產管理，預測性維護，能源管理即可將產線相關數據進行採集。

圖9-OPC UA擴展AutoID信息模型用於資產信息輸入

當然，AutoID只是一個具體的資產管理輸入的環節，而對於資產管理本身是需要瞭解到Admistration Shell的，圖10是一個通用的管理殼結構，通過這個結構，數據可以被交互，當然，傳輸的方式是通過OPC UA的機制，這個是在各個版本的管理殼架構中都有描述的（ZVEI,Fraunhofer,Industries4.0組織等在過去幾年發佈了多個版本關於管理殼的介紹，可自行檢索）。

圖10-RAMI4.0架構中的信息標籤舉例

例如：針對電氣系統的管理殼包括了諸如PLC、伺服驅動、氣動執行機構等，其包括了設計、手冊的基本組件，然後包括定位、磨損、能耗等數據的傳輸。

Q8.PLCopen與OPC UA的關係如何？

PLCopen提供了針對自動化系統程序開發的標準與規範，PLCopen與OPC基金會聯合開發的IEC 61131-3的OPC UA信息模型和相應的OPC UA的客戶端和服務端的功能塊規範，就可以用在由產品層和現場設備層，乃至控制設備層、車間層、工廠層、企業層，以及跨企業連接層中運用，起到符合工業4.0所要求的分佈式、扁平化的通信作用。

通過使得PLCopen的Motion用於協同運動控制，完成產線的開發，同時通過PLCopen的OPC UA模塊也可以將不同的機器在垂直和水平方向進行連接，從圖11可知，PLCopen OPC UA主要體現在現場設備的互聯（M2M）以及產線級、工作單元（工廠級）的連接。

圖11-PLCopen與OPC UA的融合解決工廠信息集成問題

（Source:彭瑜,關於PLCopen在工業4.0中扮演的角色）

感謝來自和利時的研發經理丁研先生的修改意見，尤其是Q2和Q6基本上選擇採用丁研的文檔，在過去的幾年裏經常就OPC UA問題請教並交流，他對OPC UA的開發實踐使得他對OPC UA的理解更爲深刻，此文應該屬於兩個人合併的稿子，特別聲明，並致謝丁研先生。

i4CN（工業4.0中國-簡稱），是中國最系統化、最全面的工業4.0、工業互聯網、智能製造、無人工廠領域的第三方諮詢公司。公司整合華爲、博世、騰訊、美的等專家，首家提供工業4.0整合方案，包括i4技術項目、i4四大管理體系、十大思想變革的三層金字塔式諮詢架構；能夠指導企業實施專業化的工業4.0變革和無人工廠規劃建設與運營管理。助力國家實現中國製造2025的宏偉藍圖。

樑卓業 i4CN首席諮詢顧問中國工業4.0、智能製造、無人工廠、工業互聯網專家，華爲ISC、IPD體系專家華爲ISC+項目組成員，智能製造標杆車間項目經理工業4.0十大思想變革、無人工廠建設體系首創人中山大學麻省理工學院雙MBA，廣東工業大學機電學院本科歡迎需要導入華爲ISC、IPD體系，實施工業4.0無人工廠的企業與i4CN合作。

（請搜索i4CN樑卓業老師相關課程視頻並進一步瞭解）