没有 OPC UA,就没有工业4.0

文:2017年第5期

    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(RAMI4.0)在通信层实施方面仅推荐使用符合IEC62541标准的OPC统一架构(OPCUA)。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OPCUA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OPCUA功能(集成或通过网关)。同时,产品列表也强调了OPCUA的信息建模属性。

    OPCUA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OPCUA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“OPCUA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OPCUA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OPCUA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,OPCUA结合两种机制来实现各种场景:

    –客户端-服务器模式,OPCUA客户端访问OPCUA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OPCUA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。

    OPCUA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OPCUA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OPCUA,因此设备可以通过MQTT或AMQP以“OPCUA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。

趋势一:信息模型

    OPCUA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OPCUA服务器中定义相关的信息,即所谓的OPCUA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。OPCUA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OPCUA标准,销售额肯定会大幅下降。

趋势二: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OPCUA服务器通信时,OPCUA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。OPCUA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OPCUA列为唯一的SoA解决方案。

趋势三:服务到服务

    OPCUA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OPCUA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。

趋势四:基于芯片的OPCUA

    OPCUA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OPCUA软件解决方案只具备有限(但可读)的功能,仅需35KB的RAM和240KB的闪存资源。现在,集成有OPCUA功能的第一批芯片已经进入市场,OPCUA可以进一步打入传感器市场。因此,OPCUA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

     OPCUA已经成为自动化市场和工业4.0的事实标准。若结合TSN通讯,OPCUA也将具有实时性。这并不是在推广另一种现场总线,而是为交换SoA服务提供一个可预测的时间基础。同时,仍然存在一些挑战,诸如复杂的TSN网络的配置等一些难题尚未得到解决。因此,OPC基金会目前还没有积极推广OPCUA和TSN。然而,OPCUA正覆盖到越来越多的通信领域,使得供应商越来越不容易判断合适的应用。产品将根据设备本身的特性或外部服务的功能而不是接口来进行区分。未来,随着OPCUA逐渐成为全球最大的互操作性生态系统的首选平台,我们将会看到其它行业信息模型的快速发展。

 

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