當前在德國，開放平臺通信統一架構OPC UA的標準被公認為是一種有前途的、實現持續信息交換的方法。因此它已經成為工業4.0未來標準的主要候選者。德國機械制造協會VDMA與Fraunhofer IOSB發布了針對中小型機械制造企業如何在今后導入OPC UA及其遷移的可能策略的導則。導則明確的強調，OPC UA不是自動化實時通信的另一個標準，而是一種為目前尚處于信息孤島的設備之間建立附加通信通道的工具。在工業4.0中，其主要任務為新的服務提供信息傳輸，而不是替代現有的實時通信協議。由于OPC UA只是實現新的客戶場景的工具，所以沒有必要等待客戶對OPC UA提出明確要求才開始行動。特別是對于成套設備和機械制造廠商，應面該考慮的是實現這些場景大部分要建立在獨立于供應商的基礎上，而且保證信息交換的可互操作性。

圖1給出用于工業4.0通信的OPC UA工具箱，包括以下各列（自左至右）：傳輸、信息安全、信息存取、伙伴規范和擴展信息模型。眾所周知，OPC UA是一種面向服務的架構SOA，為機械數據（諸如設備描述、測量數值、參數和控制變量）信息交換的標準化構建了合乎工業要求的平臺。這里再一次強調指出，在工業4.0的環境下運用OPC UA，目的不是要取代機械裝置內業已普遍使用的確定性通信的手段，而是為不同生產廠商生產的成套裝置、機械設備和部件之間提供一種統一的通信方式。

圖1：用于工業4.0通信的OPC UA工具箱
作為OPC UA工具箱中的各個要素，傳輸層實現采用不同通信協議和通信類型的信息存取，但這些不同的通信協議和通信類型必須有一個共同的基礎，即采用互聯網協議（IP）。因此OPC UA要求網絡的基礎架構一定要賦有IP通信的能力。OPC UA兼容IPV4和IPV6.當前OPC UA基于客戶端－服務器（C/S）和發布－訂閱（pub／sub）通信機制，如圖2所示。OPC UA的應用程序可同時并行地使用這兩種通信機制。一個OPC UA的應用程序在同一時刻，既可以作為服務器、客戶端，也可以作為發布端和訂閱端。其發現的功能性使它能發現OPC UA服務器及其功能性。未來它將支持運用時間敏感聯網TSN技術的確定性通信。
客戶端－服務器通信直接實現客戶端和服務器之間的數據交換，消息的接收是被確認的。發布端－訂閱端通信類型適合于間接的數據交換，發送者和接收者無需彼此知曉，也無需同時被激活。它適合于大量的傳感器與一個接收器相通信的場景（例如云端的狀態監控和優化服務），或一個發送端和多個接收端的場景。一臺注塑機可以同時向公司的多個不同的服務器（如可視化、MES或節能系統）發送其材料用量和能源使用量的測量值，就是后面那種應用場景。

圖2：OPC UA的通信機制
信息安全是OPC UA的一個關鍵要素，是一種必須在構建軟件平臺的早期就必須認真考慮的問題。信息安全的機制必須覆蓋傳輸層、信息存取和發現機制等多個方面。信息安全機制要求對通信參與者的身份和存取權進行管理。為加強和改善身份識別，身份管理賦予對OPC UA應用程序進行授權的能力。身份管理既可以對每一個OPC UA應用程序進行管理，又可采用全公司的公共密鑰基礎架構（PKI）進行管理。PKI可以對身份進行發布、分配和測試。
信息存取包括調用讀寫變量的類函數和觀察事件。
伙伴規范和擴展信息模型----信息模型表述由節點構成的網絡以及這些節點的關系。而節點可以用來表達具有不同特性的復雜對象，譬如設備、機械裝置、成套裝置。在OPC UA中對象可以容納變量、類函數和事件。OPC UA信息模型可以表述任意的分層檢索，此外，還可表述類型和節點的實例。對節點加以標準化時可帶有類型，這樣就能夠進行信息存取，而與特定節點的實例無關。例如一種注塑機的類型包括注塑機所有的通用變量、類函數和事件。類型和類型的實例都是信息模型的一部分。由此OPC UA的應用程序就具有了在無需事先知曉的情況下理解復雜節點的能力。如果由兩個廠商制造了同一類型的機械設備，這兩種實現代表了兩種實例。統一的信息存取通過兩個廠家的同一類型完成。沒有必要對特定廠家的信息進行存取。這就允許應用程序的開發可以獨立進行，而無需顧及設備、機械和系統。例如一臺注塑機可以用包括一個類函數“啟動任務”、一個變量“當前的功耗”和事件“溫度已達到”等信息來描述。

圖3：OPC UA按邏輯分層
圖3將圖1所示的OPC UA工具箱的要素映射到OPC UA規范的邏輯分層。通過信息存取使得信息模型可被使用。而OPC UA的應用程序可按通信要求讓信息模型作為服務器或發布端，以及用作客戶端或訂閱端。傳輸層描述信息存取層的技術關系，發現層則描述將OPC UA服務器列表的可能性。一般在諸如現場設備、控制器、臺式計算機或IT服務器等設備中，采用OPC UA服務器作為信息的發送源。在圖3中列出三種OPC UA的信息模型：設備的信息模型、伙伴規范和擴展信息模型。設備的信息模型及其集成（即設備集成）構成伙伴規范和擴展信息模型的基礎。它包括設備模型（性能和功能性）、通信模型（通信的拓撲結構）和集成模型（設備集成的規則）。表1列出有關工業自動化方面的若干伙伴規范。

表1：OPC UA的工業自動化伙伴協議概貌
在一個企業中，基于OPC UA的工業4.0的通信可以分成四個階段逐步實現（見圖4）：

圖4：中小企業采用OPC UA升級的四個階段
第一階段  基于OPC UA的工業4.0的通信其基本前提是網絡運行要建立在互聯網協議（Internet Protocol，IP）的基礎上。如果已經有了這個基于IP的網絡，那么OPC UA就可作為來自不同制造廠生產的機械的信息存取的統一接口。在第一階段中機械的相關參數或系統監控參數可用手動的方法集成到狀態監控系統中。相比采用多種不同的通信解決方案，這一方法已經顯現出其優越性。
第二階段  通過采用標準化的信息模型（即所謂OPC UA的伙伴規范）可以取得用例（use case）的即插即用。由不同供應商制造的機械和成套設備，其核心的功能性都在細分行業制定的伙伴規范中予以同等的模型化，調用這些被模型化的功能就能夠對這些機械完成統一的集成和使用。越來越多的操作人員要求這種可互操作性，例如來自塑料機械和橡膠機械行業和來自通過RFID自動識別的細分行業。在德國，一些零部件制造商、機械和成套設備制造廠商已經開始邁向工業4.0的通信。第一個成果是伙伴規范EUROMAP77，規范定義了塑料機械和橡膠機械的統一信息模型。該規范可以用來支持和幫助較小規模的公司理解信息模型所帶來的好處。同時也為其它行業開發伙伴規范提供了一個合適的范例。
第三階段   運用擴展的信息模型將所在企業獨特的訣竅和需要保密的非標準功能性容納在其中，為體現企業知識產權在性能和效益方面的優越提供方便。企業這方面的專有技術（例如機械裝備的優化功能）將受到OPC UA基于規則的授權的精確保護。      
第四階段  資產管理殼AAS是作為工業4.0資產的基本單元及其虛擬表達。各個資產管理殼通過工業4.0的通信彼此進行相互作用。可以在OPC UA以及伙伴規范和擴展信息模型的基礎上實現AAS，這就是工業4.0通信的升級遷移的第四階段。AAS的核心概念以資產的性能為中心，這些性能可被理解為標準的詞匯，利用這些性能不僅可以把信息模型（伙伴規范）中特定細分行業的關系予以標準化，還可涉及用在信息模型和工業4.0基本單元中的單獨的術語。按照國際注冊數據識別碼（IRDI）規定的識別碼對性能進行識別，因而使性能與不同的語言和細分行業的專用名稱無關，不會因為語言和名稱的差異而產生混淆。AAS運用IEC 61360國際標準對性能加以標準化。
企業采用OPC UA作為工業4.0的通信的遷移升級過程必須循序漸進，不可能一蹴而就。一方面是因為盡管OPC UA相對而言是工業4.0可以采用的通信技術中最有基礎和最成熟的，但畢竟還在進一步發展的階段，還有許多與正在開發的其它通信技術（如TSN）融合的工作要做；另一方面，企業的遷移升級首先要以企業對當前市場需求的響應作為首要的驅動因素，同時適當兼顧技術的發展趨勢，制定一個合理的遷移策略。不妨依照上述的四個升級階段來考慮。
在升級的第一階段首先解決信息的存取問題，采用OPC UA作為信息存取的統一通信接口。其前提是創建基于IP的網絡，例如以太網或無線網絡（WIFI或5G）并完成配置組態。網絡的創建必須一次完成，不宜分期創建。接下去將各種來自機械設備和成套裝置的變量采用手動的辦法訂閱。譬如先實現基于這些變量的狀態監控的場景，這既可以降低停機時間，讓用戶看到明顯的利益，又在這個過程中滿足了OPC UA的基本要求，配置了OPC UA工具箱的相關模塊。
本地發現服務器（local discovery server, LDS）用來發現新擴展的在一臺機械裝置或成套設備上的OPC UA服務器。對此，LDS不要求進行附加的組態。而OPC UA客戶端（如來自MES或其它的機械裝置）可以用LDV來發現可用的OPC UA服務器和發現可供使用的信息安全選項。在這些信息的基礎上，OPC UA客戶端建立了與這些OPC UA服務器的連接。
接著要做的是全公司范圍的身份管理，即身份授權。對每一個項目都必須針對IT信息安全對存取權進行組態，對身份進行管理。對每一個OPC UA應用程序的授權都需要驗證識別。為了建立各個OPC UA應用程序之間的安全連接，這些應用程序必須相互證明其可信。第一步先用手動的方式建立身份授權，然后進行全公司級別的身份授權管理。
至此，各個OPC UA應用程序的通信便可以通過OPC UA的SOA安全地進行，用戶可以瀏覽之前導入的基本模型、讀寫變量、調用類函數和訂閱事件。系統（譬如ERP、MES和PLC）之間的通信可以采用手動組態，例如把某個由PLC處理的能源測量值定期地發往MES。
進入第二階段為了開發標準的信息模型可以參照細分行業的OPC UA伙伴規范。

一般而言伙伴規范總是建立在設備或設備集成的信息模型之上。信息模型描述設備的通用特性和功能性，及其可能操作的拓撲結構?；锇橐幏抖x細分行業的設備及其應用，例如現場設備、PLC或某類機械裝置。運用伙伴規范會提高可互操作性，并使用例做到即插即投入使用。在調試或改裝時，系統集成和自動化公司目前都是要手動調試控制程序，這些調試一般都根據手冊和非正式的記錄信息數據表，對于不同的制造廠商這些手冊和數據表各不相同。今后如果機械制造廠和成套設備廠都運用伙伴規范，那么就具備了對這些廠進行信息交換的存取能力。由于都是標準化的信息可資利用，要將一臺新的機械集成到一個成套設備中去很容易，再也沒有廠與廠之間的差異。這樣要把部件、機械、成套設備集成到MES系統，就很方便。如果已經有了某個細分行業現成的伙伴規范，一定要使用；如果沒有現成的伙伴規范，也可以建立一個新的信息模型，然后以伙伴規范的形式予以標準化。在德國機械制造商協會VDMA承擔其為會員單位開發與OPC基金會合作的伙伴規范的工作。
表2給出OPC基金會有關OPC UA服務器的行規，根據設備的大小分別有納型嵌入式（Nano Embedded）  、微型嵌入式和嵌入式服務器行規和標準服務器行規，功能性也有相當大的差別，因而對實現的硬件資源要求（如計算能力、內存等）也有很大差異。順便指出，在OPC的概念中，OPC服務器是指提供數據的設備，OPC客戶端是指使用數據的設備。

表2：OPC UA服務器的行規
第三階段引入擴展伙伴規范，是為了在標準化信息模型和獨立于制造廠的信息基本集合的基礎上，體現不同制造廠的差異化的特性。例如有些機械設備可以提供基于制造廠的經驗和專有技術的節能優化或者循環時間優化的功能，這些功能并沒有標準化，那么便可以通過建立擴展信息模型以明確的方式提供。而OPC UA的信息模型對非授權的存取具有良好的保護。
這里順便指出，OPC UA服務器可以容納多個信息模型，標準信息模型和擴展信息模型可同時存在于一個OPC UA的應用程序中。
OPC UA滿足工業4.0通信的要求。由圖5可知，基于OPC UA的工業4.0通信可以用在工業4.0參考架構模型RAMI4.0的分層遞階維度中所有層級的通信。OPC UA可以實現從最小的傳感器到跨企業各層級的通信。在RAMI4.0的另一維度，基于OPC UA的SOA信息存取運用于通信層，而伙伴規范和擴展信息模型屬于信息層的范疇。OPC UA也適合用于工業4.0基本單元的通信，以及連接設備（資產）與資產管理殼AAS。這后面一種情況則體現在集成層。

圖5：OPC UA在RAMI4.0中的位置
結束語
從目前的推進形勢觀察，符合工業4.0要求的通信要獲得全面成熟的應用，或許還要十年左右的時間。這不僅僅是因為許多相關的技術還處于開發、試驗階段，因為許多標準尚待開發制定和國際化，還因為涉及各主要工業國家和新興工業國家相關法律的制定和通信運營商之間的協商。工業4.0所要求的通信畢竟是前所未有的通信集成，牽涉到萬物（包括軟件和硬件）和企業、人員的互聯。當然還有政治因素，全球化和反全球化的斗爭目前大有愈演愈烈之勢，可能對此也會產生難以預料的影響。

作者簡介
作 者
彭 瑜：上海工業自動化儀表研究院，PLCopen中國組織
編 審
孟采菽：《知識自動化》主編