Q1.一定需要OPC UA嗎？
沒有OPC UA也并非不可以實現(xiàn)最為重要的互聯(lián)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(yè)，以及DDS、oneM2M、Web Service等方式在不同層面來實現(xiàn)，但是考慮到以下幾點，采用OPC UA就有其必要性：
（1）.功能融合：機(jī)理模型、機(jī)器視覺、預(yù)防性維護(hù)、控制邏輯、工業(yè)協(xié)議適配等彼此獨立且碎片化的功能，需要借助OPC UA統(tǒng)一架構(gòu)進(jìn)行融合，從而使這些以異構(gòu)化功能串聯(lián)在一起，形成多樣化的應(yīng)用場景。
（2）.經(jīng)濟(jì)性需求：如果沒有統(tǒng)一的語義操作規(guī)范，對于IT訪問OT而言，就會意味著大量的編程接口，這樣就無法實現(xiàn)IT訪問OT的經(jīng)濟(jì)性—這是關(guān)鍵，偉大的規(guī)劃如果缺乏經(jīng)濟(jì)性都是無法推動的，什么工業(yè)4.0，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都是沒有前途。
（3）.軟件模塊化設(shè)計需求：由于行業(yè)屬性、廠商特征千變?nèi)f化，使得基于SoA的OPC UA提供了模塊化軟件設(shè)計的便利，SoA即面向服務(wù)，服務(wù)獨立于數(shù)據(jù)本身，僅是以需要進(jìn)行讀取OPC UA Server中的數(shù)據(jù)即可，這樣便于程序的模塊化設(shè)計，獨立于數(shù)據(jù)與傳輸，僅需訪問接口。
（4）.標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：即使沒有OPC UA連接也是可以實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，可以大幅度降低企業(yè)的開發(fā)消耗的時間—想想全國的智能制造項目可以省多少開發(fā)調(diào)試時間，就覺得好有必要的感覺吧？
事實上，并非沒有其它的規(guī)范，或者也可以自行定義語義規(guī)范，考慮到其它已有的規(guī)范的局限性，以及OPC UA積極的吸收其它規(guī)范并統(tǒng)一化，結(jié)合目前眾多廠商已經(jīng)共識聚焦在OPC UA，并且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(jīng)達(dá)成的共識性規(guī)范。
Q2.為什么說信息模型是OPC UA的核心？
OPCUA信息模型是數(shù)字孿生技術(shù)落地的重要組成部分，在工業(yè)4.0參考架構(gòu)中，數(shù)字孿生被稱為資產(chǎn)管理殼。資產(chǎn)管理殼（又稱工業(yè)4.0組件）是構(gòu)成CPS系統(tǒng)的基本組織單位，該基本單位通過將各類資產(chǎn)（物理資產(chǎn)與軟件資產(chǎn)）套上一層數(shù)字外殼的方式，從而構(gòu)建虛實融合的CPS數(shù)字空間。
圖1-OPC UA是數(shù)字孿生技術(shù)落地的信息連接劑
工業(yè)現(xiàn)場的資產(chǎn)由“人機(jī)料法環(huán)”構(gòu)成，這些資產(chǎn)可劃分為物質(zhì)型與非物質(zhì)型兩類：物質(zhì)型資產(chǎn)（又稱物理型資產(chǎn)）包括生產(chǎn)性裝備、物料、攝像頭、倉儲設(shè)備、掃碼槍、傳感器、自動化系統(tǒng)等；非物質(zhì)資產(chǎn)（又稱軟件資產(chǎn)）包括生產(chǎn)工藝、控制算法、分析算法、報警邏輯、數(shù)據(jù)文件等，如圖2所示。
圖2-OPC UA在資產(chǎn)管理方面的角色扮演
由于各類資產(chǎn)的異構(gòu)化特性，因此需要借助標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字外殼將它們彼此融合。數(shù)字外殼由信息、通訊、功能與業(yè)務(wù)四部分組成，信息用于對資產(chǎn)進(jìn)行描述，并實時體現(xiàn)資產(chǎn)的狀態(tài)：當(dāng)資產(chǎn)的狀態(tài)發(fā)生變化時，資產(chǎn)管理殼的信息也會隨之發(fā)生改變；通訊用于將各類數(shù)字外殼串聯(lián)在一起，從而確保各類“虛體”與“實體”的彼此聯(lián)動，實現(xiàn)虛實融合；功能是用戶開發(fā)的控制算法、視覺分析算法及協(xié)議解析邏輯；業(yè)務(wù)是自動化工程師根據(jù)實際現(xiàn)場所組態(tài)而成的工程。
圖3-OPC UA的信息模型及通訊功能是實現(xiàn)資產(chǎn)管理殼信息層與通訊層的落地技術(shù)。
OPCUA提供了語義互操作能力，也提供了不同的傳輸機(jī)制，方法與調(diào)用，但是，OPC UA的核心主要體現(xiàn)在信息模型上，信息模型可以理解為 “協(xié)同”而需要溝通的信息構(gòu)建的模型，相較于傳統(tǒng)的單機(jī)生產(chǎn)而言，信息模型是為了降低在系統(tǒng)配置、互操作方面的時間與精力消耗，進(jìn)而降低系統(tǒng)的工程成本，事實上除了時間的消耗，不匹配的信息會導(dǎo)致各種出錯的風(fēng)險，以及不能匹配的功能。
Q3.OPCUA支持哪些傳輸機(jī)制？
圖4來自Uwe Steinkrauss在2018年展會上關(guān)于OPC UA傳輸機(jī)制和信息模型擴(kuò)展的架構(gòu)，我們可以看到，OPC UA支持傳統(tǒng)的Client/Server傳輸模式，為了響應(yīng)更為廣泛的大數(shù)據(jù)、云計算應(yīng)用模式也融入了Pub/Sub的機(jī)制，如MQTT,AMQP,UDP都是屬于Pub/Sub機(jī)制，Pub/Sub機(jī)制主要是為了增強信息交互的效率和實時性，包括TSN也被理解為一種Pub/Sub的支持通信方式。
圖4-OPC UA的傳輸機(jī)制與模型擴(kuò)展
[Source:Uwe Steinkrauss,OPC UA TechnicalIntroduction-basic concept, Automatica Munich,2018]
Q4:是否需要不同行業(yè)的信息模型的集成？
這個問題也是被討論到的，因為不同行業(yè)具有非常大的特殊性，例如：塑料工業(yè)可能會關(guān)注模具，而機(jī)床可能會關(guān)注主軸的信息，對于制藥行業(yè)則關(guān)注審計追蹤的功能，從這個角度來說，每個行業(yè)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(yè)去做自己的信息模型即可，無需把他們統(tǒng)一起來。
但是
在一個大型的工廠里，典型的例如電子制造業(yè)，其工廠內(nèi)就包含了注塑機(jī)的塑料件成型，鈑金成型，以及后道產(chǎn)品包裝，以及物流，這個對于一個工廠而言，各種垂直行業(yè)的信息模型都是可能需要的，那么，這就是OPC UA伙伴信息模型要解決的問題，與之對應(yīng)的信息模型如下表：
表1-OPC UA的伙伴信息模型（行規(guī)）
Q5.在實現(xiàn)工業(yè)4.0中OPC UA扮演什么角色？
實際上，在RAMI4.0參考架構(gòu)中，關(guān)于信息的傳輸、安全、信息訪問、行規(guī)、擴(kuò)展信息模型等均采用OPC UA來實現(xiàn)，通過OPC UA將不同的傳輸機(jī)制予以集成、安全機(jī)制納入其架構(gòu)、基礎(chǔ)信息模型、垂直行業(yè)信息模型，使得OPC UA能夠成為各個不同單元的數(shù)據(jù)交互的統(tǒng)一規(guī)范。
圖5-通過OPC UA的工業(yè)4.0通信實現(xiàn)
[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(xiàn)整個工業(yè)4.0架構(gòu)中的角色，涵蓋：
（1）.在多個垂直層級（機(jī)器,產(chǎn)線,運營，支持）
（2）.多種應(yīng)用場景：傳輸問題，安全通信，信息訪問，行規(guī)問題；
（3）.全流程的數(shù)據(jù)交互問題：
圖6是ZVEI在2017年就管理殼的結(jié)構(gòu)文檔，闡述了數(shù)據(jù)在工廠從供應(yīng)商的設(shè)備級規(guī)劃、設(shè)計、虛擬調(diào)試、生產(chǎn)再到機(jī)器制造商的全流程，再到整個工廠的全流程，從數(shù)字化設(shè)計、運營維護(hù)各層級，全流程的數(shù)據(jù)流如何被傳輸，基于管理殼的數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)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制造的各個環(huán)節(jié)
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(xiàn)的業(yè)務(wù)與信息層次架構(gòu)如何？
OPC UA的業(yè)務(wù)功能采用基于信息模型的“搭積木”方式進(jìn)行構(gòu)建，其核心思路是通過標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)模型組件拼裝成不同行業(yè)的領(lǐng)域模型組件；而后再由領(lǐng)域?qū)＜?、實施工程師根?jù)實際需求，使用領(lǐng)域模型組裝出各場景的應(yīng)用模型（如圖7所示）。
圖7-OPC UA的搭積木構(gòu)建的信息架構(gòu)（丁研提供）
OPC UA是實現(xiàn)資產(chǎn)管理殼的落地技術(shù)，采用該架構(gòu)進(jìn)行工業(yè)軟件功能定義的過程如下：
（1）OPC UA負(fù)責(zé)制定一套通用、抽象且可擴(kuò)展的信息模型（OPC UA基礎(chǔ)信息模型）；
（2）各行業(yè)協(xié)會針對OPCUA基礎(chǔ)模型進(jìn)行擴(kuò)展性定義，從而形成OPC UA行規(guī)模型；
（3）各工業(yè)軟件廠商的開發(fā)人員，通過對行規(guī)模型的使用與二次開發(fā)，形成針對某一類應(yīng)用場景的解決方案模型；
工程師在進(jìn)行工程實施時，將使用已有的領(lǐng)域模型與解決方案模型，拼裝出最終的應(yīng)用場景模型（即應(yīng)用場景的功能）。
圖8-OPC UA信息模型實現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)（丁研提供）
圖8即從OPC UA基礎(chǔ)模型、行規(guī)（垂直行業(yè)）、廠商模型、應(yīng)用模型四個層級進(jìn)行了全景描述，相信此圖可以清晰的為我們闡明OPC UA在整個工業(yè)互聯(lián)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(shù)據(jù)可以在不同的單元間進(jìn)行傳輸，分享。
Q7.設(shè)備與資產(chǎn)的管理如何進(jìn)行？
之前有朋友提及工業(yè)產(chǎn)線的編碼問題，即，如何對不同的資產(chǎn)進(jìn)行管理，包括了被加工的產(chǎn)品管理問題，其實，對于資產(chǎn)管理，OPCUA提供了AutoID的伙伴信息模型，通過AutoID(圖9)，這些設(shè)備的信息，包括條碼、二維碼、RFID等多種形式進(jìn)入產(chǎn)線的待加工產(chǎn)品，以及產(chǎn)線設(shè)備本身（如控制器、電機(jī)）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(chǎn)管理，預(yù)測性維護(hù)，能源管理即可將產(chǎn)線相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。
圖9-OPC UA擴(kuò)展AutoID信息模型用于資產(chǎn)信息輸入
當(dāng)然，AutoID只是一個具體的資產(chǎn)管理輸入的環(huán)節(jié)，而對于資產(chǎn)管理本身是需要了解到Admistration Shell的，圖10是一個通用的管理殼結(jié)構(gòu)，通過這個結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以被交互，當(dāng)然，傳輸?shù)姆绞绞峭ㄟ^OPC UA的機(jī)制，這個是在各個版本的管理殼架構(gòu)中都有描述的（ZVEI,Fraunhofer,Industries4.0組織等在過去幾年發(fā)布了多個版本關(guān)于管理殼的介紹，可自行檢索）。
圖10-RAMI4.0架構(gòu)中的信息標(biāo)簽舉例
例如：針對電氣系統(tǒng)的管理殼包括了諸如PLC、伺服驅(qū)動、氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，其包括了設(shè)計、手冊的基本組件，然后包括定位、磨損、能耗等數(shù)據(jù)的傳輸。
Q8.PLCopen與OPC UA的關(guān)系如何？
PLCopen提供了針對自動化系統(tǒng)程序開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，PLCopen與OPC基金會聯(lián)合開發(fā)的IEC 61131-3的OPC UA信息模型和相應(yīng)的OPC UA的客戶端和服務(wù)端的功能塊規(guī)范，就可以用在由產(chǎn)品層和現(xiàn)場設(shè)備層，乃至控制設(shè)備層、車間層、工廠層、企業(yè)層，以及跨企業(yè)連接層中運用，起到符合工業(yè)4.0所要求的分布式、扁平化的通信作用。
通過使得PLCopen的Motion用于協(xié)同運動控制，完成產(chǎn)線的開發(fā)，同時通過PLCopen的OPC UA模塊也可以將不同的機(jī)器在垂直和水平方向進(jìn)行連接，從圖11可知，PLCopen OPC UA主要體現(xiàn)在現(xiàn)場設(shè)備的互聯(lián)（M2M）以及產(chǎn)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(guān)于PLCopen在工業(yè)4.0中扮演的角色）
感謝來自和利時的研發(fā)經(jīng)理丁研先生的修改意見，尤其是Q2和Q6基本上選擇采用丁研的文檔，在過去的幾年里經(jīng)常就OPC UA問題請教并交流，他對OPC UA的開發(fā)實踐使得他對OPC UA的理解更為深刻，此文應(yīng)該屬于兩個人合并的稿子，特別聲明，并致謝丁研先生。
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