OPC UA ， 实现设备间的“语言相通”

两千多年前的秦朝初期，各国用得还是不同的文字，文化交流有着非常大的阻碍。秦始皇，这个被后世津津乐道的中国历史上首个封建帝王，废除各国不同的文字，统一使用小篆作为标准字进行推广，方便了文化的记载和传播。“车同轨，书同文，统一度量衡”为后世的繁荣发展奠定了基础。“统一语言”这件事情，在两千多年后的现在，在工业领域，也同样重要。

在工业4.0时代，对资产进行数字化转换是制造商的优先事项。随着计算机和自动化技术的融合，市场的游戏规则正在被重新制定，行业面临洗牌。为了提升在全球范围内的竞争力，制造商希望自己工厂的机器之间协同性更强，自动化设备采集到的数据能够发挥更大的价值，将机器接入云端使得生产更加灵活是企业们正在做的事情。然而，云端的数据要如何管理？数据间的壁垒如何打破？数据孤岛如何互联互通？一种开放平台通信统一体系结构（OPC UA）正在尝试解决这一难题。

图1：OPC UA在RAMI4.0（德国工业4.0参考架构模型）中的位置

OPC UA并非全新的概念，其前身是1996年发布的OPC规范，包括一整套接口、属性和方法的标准集。OPC是基于Windows操作系统的COM技术，所以只能在Windows上运行。OPC UA 则是OPC 的后继标准，UA意指“统一架构”（Unified Architecture），在平台独立性、安全性和可靠性等方面做出了升级，更能适应现代工业通信的需求。OPC UA是确保工业自动化设备和系统的开放连接性、互操作性、安全性和可靠性的标准，被广泛认为是工业4.0计划的关键通信和数据建模技术，可与许多软件平台一起使用，具有完全可扩展性。

作为世界各国战略布局的要点，工业通讯标准也是大国利益诉求和博弈的焦点。特别是在最近几年中，由于拥有灵活性的特点，OPC技术已被多个行业广泛采用，并且OPC基金会预计这种增长趋势将持续下去，特别是在中国、日本、韩国和泰国等拥有强劲表现的亚洲市场。

通讯协议的标准化
从OPC演进到OPC UA，它的目的并没有改变，依然是为了实现分布式控制系统中的分布式对象技术。其主要目的是取代基于COM的规范，解决平台独立性的问题，以及能够公开复杂的数据和满足复杂系统的扩展建模能力，摆脱Windows，实现与平台无关的OPC。这意味着现有的OPC UA标准可充当可能需要的任何局部标准的基础，企业可以在一个Arm /linux平台上实现OPC的server，或者在云端linux平台上实现Client程序。

当前，OPC UA的标准在德国被公认为是一种有前途的、可实现持续信息交换的方法。因此它已经成为工业4.0未来标准的主要候选者。德国机械制造协会VDMA与Fraunhofer IOSB发布了针对中小型机械制造企业如何在今后导入OPC UA及其迁移的可能策略的导则，其中明确强调，OPC UA不是自动化实时通讯的另一个标准，而是一种为目前尚可在处于信息孤岛的设备之间建立附加通讯通道的工具。由于OPC UA只是实现新的客户场景的工具，所以没有必要等待客户对OPC UA提出明确要求才开始行动。特别是对于成套设备和机械制造厂商，实现这些场景要建立在独立于供应商的基础上，而且要保证信息交换的可互操作性。

基于OPC UA的工业4.0通信基本前提是网络运行要建立在互联网协议（Internet Protocol,IP）的基础上。如果已经有了这个基于IP的网络，那么OPC UA就可作为来自不同制造厂的信息存取统一接口。在第一阶段中机械的相关参数或系统监控参数可用手动的方法集成到状态监控系统中。相比采用多种不同的通信解决方案，这一方法已经显现出其优越性。

OPC UA已实现的伙伴规范
通过采用标准化的信息模型（即所谓的OPC UA伙伴规范）可以取得用例（use case）的即插即用。由不同的供应商制造的机械和成套设备，其核心的功能性都在细分行业指定的伙伴规范中予以同等的模块化，调用这些被模块化的功能就能够对这些机械完成统一的集成和使用，越来越多的操作人员要求这种可互操作性。

例如，这一领域首个成果规范是来自欧洲塑料和橡胶机械制造商协会推出的EUROMAP 77，这是一种面向工业4.0的注塑机与中央计算机或制造执行系统之间数据交换的新工业标准，由来自阿博格、恩格尔、Ferromatik Milacron、克劳斯玛菲、耐驰特、宝胜、住友、德马格和威猛巴顿菲尔公司的专家，在OPC基金会和ascolab公司的支持下，以及在主要MES制造商的帮助下开发。该规范可以用来支持和帮助较小规模的公司理解信息模型所带来的好处，同时也为其它行业开发伙伴规范提供了一个合适的范例。

以金属加工行业为例，在数字化的推动下，未来工厂将具备互联、有序并且能够实现远程自我优化等特性，前提是，机床的刀具、系统、测量甚至是夹具，都要提供必要的数据来支撑。因此，未来制造业只有一个关键词，那就是“互联”。任何机器，不论它来自德国、中国还是美国，不论在何种生产环境中，都需要实现与任意系统的相连。

再以推进数控机床的互联互通，美国机械制造技术协会（AMT）于2006年提出了数控设备互联通讯协议（MTConnect协议），用于机床设备的互联互通。基于OPC UA的开放标准umati（universal machine tool interface），是由德国机床制造商协会（VDW）开发的一种开放的通用机床接口标准，可便捷安全地把机床和设备无缝连接到客户端或用户端的IT生态系统中，用于机床与生产环境内外围的IT系统，如生产过程执行系统MES、企业资源计划 ERP、云端等的连接。

而在中国工业通讯的赛道上，由中国机床工具工业协会组织行业企业研制的《数控装备工业互联通讯协议》NC-Link标准，在刚刚过去的CIMT2021展会上就设有专门展区，展示了机床主机、数控系统、产线软件、机器人、互联终端（适配器）等多家机床工具及相关企业的展品在数控机床互联互通方面进行的联网实践及设备互联效果。该标准的研制为我国数控机床互联互通建立了一套统一的标准，对我国智能工厂、智能车间的建设以及智能生产的推进带来促进作用。在各方的推进下，OPC将与这些技术标准组织在中国建立更加紧密的合作，共同推进智能制造相关技术的演示及推广。智能制造，标准先行，这些技术标准组织之间的合作就是工业4.0的雏形。

OPC UA是否存在替代方案？
虽然人们常试着将OPC UA与轻量级协议（例如MQTT或AMQP）进行比较，但两者是互补性技术，而非竞争性方法。OPC UA主要将这些技术用作传输层。最常被提到的OPC UA替代方案之一的是DDS，后者在北美地区相对更受青睐。DDS与OPC UA利用截然不同的方法解决了同样的问题。DDS旨在实现全球信息网格（GiG），满足物联网（IoT）/工业物联网（IIoT）领域的要求。相比之下，OPC UA是在自动化行业中开发的，因此，其更适用于工业领域，且有望获得更多的应用拓展。

总的来看，OPC UA仍是一个相对较新的标准，目前可用并已进行规范和定义的信息模型并不能涵盖所有行业。工业自动化是OPC UA已经成功部署的垂直领域，在楼宇自动化、运输等其他领域，其也有着相当大的拓展潜能。

结语
当今，技术发展迅猛，技术迭代也层出不穷，但制造商们仍应保持理智。企业采用OPC UA作为工业4.0通讯协议的过程必须循序渐进，而非一蹴而就。一方面，尽管OPC UA相对而言是工业4.0可以采用的通信技术中最有基础和最成熟的，但毕竟还在发展阶段，与其它通信技术还需要进一步融合；另一方面，企业的升级要以市场需求作为首要的驱动因素，同时适当兼顾技术的发展趋势，而并非纯粹地由技术驱动。随着工业4.0的发展，相信在未来，机器语言的互联互通也能推动整个工业领域的繁荣。

 来源：荣格-《智能制造纵横》


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