我們現(xiàn)代化的生活方式無不依賴于一系列設(shè)施。在這些設(shè)施的背后，是機器、傳感器、運動控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器 (PLC) 以及企業(yè)級軟件的無縫協(xié)作。

從汽車到藥品的生產(chǎn)，電子器件和軟件組成的網(wǎng)絡(luò)有條不紊地制造出各種產(chǎn)品，提升我們的生活質(zhì)量。為了構(gòu)建可靠的工業(yè)4.0系統(tǒng)，工程團隊必須從設(shè)計之初就將連接和互操作納入考量。

安全性、可靠性、互操作性以及系統(tǒng)的持久性，構(gòu)成了連接的核心挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0不僅僅是傳輸原始數(shù)據(jù)。我們可以利用信息的力量將復(fù)雜的組件網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為有意義的智能，確保生產(chǎn)系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。

區(qū)分原始數(shù)據(jù)和加工后的信息至關(guān)重要，因為有效的運營決策往往基于多個數(shù)據(jù)源綜合得出的信息。信息建模是工業(yè)4.0的關(guān)鍵部分。在構(gòu)建工業(yè)4.0系統(tǒng)的過程中，OPC統(tǒng)一架構(gòu) (UA) 是實現(xiàn)系統(tǒng)互操作性的關(guān)鍵工具。

OPA UA基礎(chǔ)知識

OPC UA是一種信息架構(gòu)，旨在實現(xiàn)工業(yè)組件之間的互操作性。OPC UA的設(shè)計基于工業(yè)界的集體智慧，建立在幾個關(guān)鍵支柱上，從而為長期的、公開的信息交換提供了堅實的保障。

信息建模、互操作性和訪問

許多通信標準都側(cè)重于移動原始數(shù)據(jù)。OPC UA對信息交換方式進行了標準化。OPC UA以數(shù)據(jù)類型為起點，將這些基礎(chǔ)元素巧妙地組織成靈活的信息結(jié)構(gòu)，從而能夠精確地模擬各種傳感器、設(shè)備或流程。

OPC UA信息建?？蚣埽▓D源：OPC基金會組織）

OPC UA對適用于許多常見工業(yè)機械和工藝的模型進行了標準化。例如，可以使用OPC 40502-1對CNC系統(tǒng)進行建模。這意味著，任何符合OPC UA標準的軟件都能夠以一種規(guī)范化的方式訪問CNC設(shè)備的狀態(tài)，極大地簡化了不同系統(tǒng)間的集成過程。

除了標準信息模型之外，供應(yīng)商還可以添加擴展，為其設(shè)備賦予特定功能。在OPC UA的框架下，訪問信息的機制實現(xiàn)了標準化，供應(yīng)商特定信息可以通過標準化的OPC UA訪問機制發(fā)現(xiàn)和查詢。此外，OPC UA還能夠執(zhí)行任務(wù)或調(diào)用目標設(shè)備上的域特定API。

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在OPC UA架構(gòu)中，信息訪問主要通過兩種模式實現(xiàn)：一是客戶端-服務(wù)器模式，二是發(fā)布-訂閱 (Pub-Sub) 模式。

OPC UA信息模型訪問 (圖源：OPC基金會組織)

當OPA UA于2008年首次發(fā)布時，客戶端-服務(wù)器模式是信息交換的主要模式。OPC UA的設(shè)計受其歷史發(fā)展的影響?？蛻舳?服務(wù)器模式基于TCP傳輸和HTTP/SOAP。

具有請求-響應(yīng)的OPC UA客戶端-服務(wù)器模式

客戶端-服務(wù)器模式適用于多種應(yīng)用場景。在這種模式下，客戶端負責管理其所需信息的獲取。然而，當眾多客戶端同時向同一OPC UA服務(wù)器請求相同的數(shù)據(jù)時，每個客戶端必須獨立請求數(shù)據(jù)。這種方法可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量激增和系統(tǒng)復(fù)雜性加劇。

為了優(yōu)化這些場景和訪問模式，OPC基金會在其規(guī)范中引入了發(fā)布-訂閱模式。在發(fā)布-訂閱模式中，生成信息的設(shè)備可以將數(shù)據(jù)發(fā)布到“代理”。需要訪問數(shù)據(jù)的設(shè)備可以通過“主題”來從代理處獲取特定信息。

OPC UA發(fā)布-訂閱訪問模式

代理可以選擇多種開放的面向消息的中間件軟件，如AMPQ (ISO/IEC19464:2014) 或通用的MQTT (ISO/IEC20922:2016) 消息系統(tǒng)。

這些中間件的關(guān)鍵在于，OPC UA已經(jīng)定義了信息的結(jié)構(gòu)，允許端點以一種標準化的方式來處理信息。發(fā)布-訂閱模式的優(yōu)勢在于它能在眾多設(shè)備需要獲取相同信息時，顯著降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。

此外，OPC UA還定義了一種無代理的信息交換模式。這個模式無需依賴任何額外的軟件或中間件。

OPC UA安全性

OPC UA在信息傳輸中通常采用TCP/IP協(xié)議 (包括TCP和UDP)，并且通過符合標準的安全措施為數(shù)據(jù)保駕護航。在客戶端與服務(wù)器 (或信息代理) 之間的TCP會話中，會話加密技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

這一過程可能涉及X.509證書，確保信息交換的雙方都能夠驗證對方身份認證的有效性。此外，消息簽名功能確保了接收方能夠驗證請求方的身份。OPC UA還具備審計功能，能夠記錄訪問活動，留下審計軌跡。

跨平臺與運行時環(huán)境的自由

得益于OPC UA在TCP/IP和以太網(wǎng)上的運行能力，幾乎所有配備了以太網(wǎng)接口的硬件設(shè)備都能夠加入到OPC UA的生態(tài)系統(tǒng)中。

無論是運行Linux的i.MX 93，還是搭載RTOS的i.MX RT跨界MCU (如i.MX RT1180)，甚至是基于MCX N947微控制器的裸機，都可以輕松實現(xiàn)客戶端或服務(wù)器的功能。解決方案可以包括高級、功能強大的操作系統(tǒng)，如Linux。軟件的部署可以從open62541或S2OPC協(xié)議棧等開源項目開始。而眾多商業(yè)產(chǎn)品的加入則進一步加速了開發(fā)進程。

與OPC UA和TSN的確定性通信

在工業(yè)應(yīng)用中，確保信息傳遞和關(guān)鍵控制的確定性時序至關(guān)重要。TSN（時間敏感型網(wǎng)絡(luò)）以太網(wǎng)技術(shù)便是為了滿足這種確定性實時需求而生。

結(jié)合IEEE1588v2精確時間協(xié)議，TSN通過設(shè)定網(wǎng)絡(luò)上無競爭的固定通信時間窗口，實現(xiàn)了節(jié)點間的確定性通信。

雖然TSN的開發(fā)是獨立于OPC UA的，但OPC UA能夠在任何以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)互操作性。隨著OPC UA的發(fā)展，OPC基金會引入了層間控制功能，允許高優(yōu)先級的信息傳遞得到優(yōu)先處理。OPC UA和TSN可以協(xié)同工作，以實現(xiàn)可互操作的、確定性的系統(tǒng)。

恩智浦的器件 (如i.MX RT1180) 內(nèi)置了對千兆TSN的硬件支持。i.MX RT1180適用于OPC UA節(jié)點。i.MX RT1180支持高達5Gb的端口速率，并且兼容最新的TSN標準，為工業(yè)4.0解決方案帶來了實時控制的可能性。

打造先進的OPC UA解決方案

OPC UA是一種為工業(yè)4.0應(yīng)用構(gòu)建的可擴展、開放且安全的信息架構(gòu)。在該架構(gòu)下，工程師能夠設(shè)計出可以“插入”到復(fù)雜生產(chǎn)場景的自動化解決方案，簡化信息交換。OPC UA的開放性保證了設(shè)備能夠在其整個生命周期中與堅固耐用的工業(yè)設(shè)備相匹配。

恩智浦以其多樣化的技術(shù)選項，為實現(xiàn)OPC UA解決方案提供了強有力的支持。

支持以太網(wǎng)的微控制器，如裸機運行或使用FreeRTOS等簡單RTOS的MCX N947

支持TSN的跨界MCU，如搭載了Zephyr等功能強大的RTOS的i.MX RT1180

工業(yè)應(yīng)用處理器，如運行Linux的Layerscape LS1028A

擁有面向OPC UA的商業(yè)軟件支持選項以及跨平臺的開源版本。

審核編輯：劉清