工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)所面臨的巨大挑戰(zhàn)是信息安全問題，不同行業(yè)的設備、機器和服務之間需要進行標準化的數(shù)據(jù)和信息交互。早在 2015年 4 月，工業(yè) 4.0 參考架構模型(RAMI 4.0)在通信層實施方面僅推薦使用符合 IEC 62541 標準的 OPC 統(tǒng)一架構(OPC UA)。2016 年 11 月，工業(yè) 4.0 組織就發(fā)布了“基本實現(xiàn)”、“準備實現(xiàn)”或“完全實現(xiàn)” 不同級別的產(chǎn)品分類和推廣列表。為適應“工業(yè) 4.0 通信”標準，即使是最低類別產(chǎn)品也必須能夠通過 TCP/UDP 或 IP 在網(wǎng)絡上尋址，并至少要集成 OPC UA 信息模型。因此，任何被宣傳為“適用于工業(yè) 4.0”的產(chǎn)品都必須具有 OPC UA 功能(集成或通過網(wǎng)關)。同時，產(chǎn)品列表也強調了 OPC UA 的信息建模屬性。
OPC UA 不僅僅是通信協(xié)議 — 它包含更多
很多中小企業(yè)并不重視信息建模，因為這些中小企業(yè)總喜歡拿 OPC UA 和其它協(xié)議(如 MQTT)進行比較，并想當然地認為它具有局限性，因此，我們經(jīng)常會聽到諸如“OPC UA 無法直接與云通訊，是嗎?”等類似的問題。
首先，每個設備和機器制造商已經(jīng)提供了具有數(shù)據(jù)接口(通過各種協(xié)議)的隱式信息模型。人們已經(jīng)學會適應了計算機的“思考”方式 — 記錄位、字節(jié)和十六進制的含義。新世界充斥著各種設備，如果這些設備支持面向服務的架構(SoA)，就可以幫助人們更快速輕松地理解“物”本身，因為它們能夠提供“服務”并描述其底層含義。SoA 在 IT 界早已不是新鮮事了，然而現(xiàn)在，SoA 已一直延伸到“物”本身。這就是 OPC UA 的用武之地，它為工業(yè)互操作性提供了框架。機器和設備制造商描述其系統(tǒng)的面向對象的信息，并定義訪問權限以及集成信息安全功能。2016 年 4 月，德國 BSI(聯(lián)邦信息技術研究所或聯(lián)邦信息安全局)對 OPC UA 的數(shù)據(jù)安全進行了全面的分析之后公布了極為肯定的意見。這是因為機器制造商保持對數(shù)據(jù)的完全控制，即他們可以以有針對性和可控的方式分發(fā)數(shù)據(jù)，從而讓他們能夠參與到大數(shù)據(jù)應用和數(shù)據(jù)分析中。
為了交換數(shù)據(jù)，OPC UA 結合兩種機制來實現(xiàn)各種場景：
– 客戶端-服務器模式，OPC UA 客戶端訪問 OPC UA 服務器的專用服務。這種對等方式提供了信息安全和確定的信息交換，但對連接數(shù)量有限制。
– 發(fā)布者-訂閱者模式，其中 OPC UA 服務器通過配置信息子集可供任意數(shù)量的訂閱者使用。這種廣播機制提供了一個無需信息確認的“即發(fā)即棄”的信息交換方式。
OPC UA 提供了這兩種通訊機制，但更重要的一點是：它獨立于實際通訊協(xié)議。TCP 和 HTTPS 可用于客戶端-服務器模式，而 UDP、AMQP 和 MQTT 可用于發(fā)布-訂閱模式。因此，“是 OPC UA 或 AMQP 還是 MQTT”的問題從 OPC 基金會的觀點來看無關緊要。由于最小的微控制器可能沒有足夠的資源實現(xiàn)完整的 OPC UA，因此設備可以通過 MQTT 或 AMQP 以“OPC UA 兼容”的方式提供數(shù)據(jù)，從而使其更輕松地集成到另一端。畢竟，統(tǒng)一信息模型和數(shù)據(jù)的含義是實現(xiàn)工業(yè) 4.0 的關鍵。
趨勢：信息模型
OPC UA 通過多種可擴展協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全的傳輸，但由誰來定義數(shù)據(jù)含義呢?諸如 AIM 自動識別技術協(xié)會(RFID 閱讀器，掃描儀等)、VDMA 的注塑機、機器人或機器視覺技術組、以及其他 35 個 VDMA 涉足的行業(yè)已經(jīng)在 OPC UA 服務器中定義相關的信息，即所謂的 OPC UA 配套規(guī)范。對于設備供應商來說，符合這種行業(yè)標準并不意味著數(shù)據(jù)即可交換，因為每個制造商都可以在標準的最上層添加自己的特殊服務。智能設備必須能夠同時支持多種信息模型，如注塑機的專用功能，以及能源數(shù)據(jù)模型或 MES 接口模型。為了降低工程成本，這些適用特定行業(yè)或跨行業(yè)的信息模型會在未來有飛速發(fā)展。OPC UA 可能不會直接給工業(yè)設備供應商帶來銷售額的增長，但不支持 OPC UA 標準，銷售額肯定會大幅下降。
趨勢：SoA
目前開發(fā)的大多數(shù)行業(yè)特定的信息模型不再基于位/字節(jié)屬性的交換，而是基于具有復雜參數(shù)的 SoA 服務。與 OPC UA 服務器通信時，OPC UA 客戶端不支持函數(shù)或者復雜參數(shù)的調用將日益受到限制。RFID 閱讀器將不再是通過位來激活讀寫命令，而是使用可以由人類讀懂的方式來調用函數(shù)：ReadTag、WriteTag 和 KillTag 等。OPC UA 是 SoA 實施模型的理想選擇，這也是為什么德國電氣電子信息技術委員會(DKE)將 OPC UA 列為唯一的 SoA 解決方案。
趨勢：服務到服務
OPC UA 提供從傳感器到企業(yè) IT 層的一致的可擴展性，給自動化金字塔帶來很大的沖擊。盡管這個金字塔將繼續(xù)存在于工廠的組織架構中，但 OPC UA 完全繞過了通訊金字塔。設備可以直接或并行地將數(shù)據(jù)傳輸給 PLC、MES、ERP 系統(tǒng)或云端。供應商在這里看到了新的商機。例如，制造商可以將條形碼或RFID預裝在設備上，客戶只需要掃描條形碼或讀取 RFID 信息即可付費。
趨勢：基于芯片的 OPC UA
OPC UA 將繼續(xù)被集成到更小的設備和傳感器中。目前行業(yè)中使用的最小的 OPC UA 軟件解決方案只具備有限(但可讀)的功能，僅需 35 KB 的 RAM 和 240 KB 的閃存資源?，F(xiàn)在，集成有 OPC UA 功能的第一批芯片已經(jīng)進入市場，OPC UA 可以進一步打入傳感器市場。因此，OPC UA 應用已經(jīng)從自動化的核心領域延伸到其它領域，如廚房電器等。
總結
OPC UA 已經(jīng)成為自動化市場和工業(yè) 4.0 的事實標準。若結合 TSN 通訊，OPC UA 也將具有實時性。這并不是在推廣另一種現(xiàn)場總線，而是為交換 SoA 服務提供一個可預測的時間基礎。同時，仍然存在一些挑戰(zhàn)，諸如復雜的 TSN 網(wǎng)絡的配置等一些難題尚未得到解決。因此，OPC 基金會目前還沒有積極推廣 OPC UA 和 TSN。然而，OPC UA 正覆蓋到越來越多的通信領域，使得供應商越來越不容易判斷合適的應用。產(chǎn)品將根據(jù)設備本身的特性或外部服務的功能而不是接口來進行區(qū)分。未來，隨著 OPC UA 逐漸成為全球最大的互操作性生態(tài)系統(tǒng)的首選平臺，我們將會看到其它行業(yè)信息模型的快速發(fā)展。
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