了解 OPC 统一架构 (OPC UA) 协议

了解工业自动化中开放平台通信联合架构 (OPC UA) 通信协议的历史、框架和当前用途。

什么是 OPC UA？

开放平台通信联合架构 (OPC UA) 是一种用于工业自动化和通信的数据交换标准。OPC UA 是一个独立的标准，与特定系统或制造商无关。它通过PC对机器通信或机器对机器通信进行通信。

早在 1994 年，一群工业自动化领域和其他工程学科的软件和硬件供应商就成立了现在的 OPC 基金会。

OPC 基金会着手开发单一客户端/服务器规范 ，允许任何供应商开发以快速、稳健的方式共享数据的软件和应用程序，同时消除使这些供应商重复开发工作的专有方案。

因此，OPC 基金会开发了 OPC DA 的第一个规范，即数据访问规范 1.0a。此后不久，即 1996 年初发布了该规范。数据访问规范定义了客户端和服务器应用程序接口必须如何构建。使用此规范，供应商可以快速开发客户端/服务器软件。

图 1.OPC UA 是一种用于通信和工业自动化的数据交换标准

OPC UA 如何工作？

然而，由于 OPC DA 严重依赖于 Windows 分布式组件对象模型 (DCOM)，因此许多供应商认识到 OPC DA 并不是真正的开放标准，在断开连接状态下表现不佳，不能很好地与防火墙配合使用，并且只能在 Windows 中运行。

为了克服 OPC DA 的缺点，OPC 基金会开发了 OPC UA，它与其前身有很大不同。目标是不再主要使用 Windows DCOM，以更好地满足工业自动化不断变化的需求。

OPC UA 的第一个规范于 2006 年发布，最新版本 1.04于 2017 年 11 月发布，添加了发布/订阅通信基础设施和新的安全策略。

OPC UA 引入的一些改进包括：

• 开放——任何人都可以在GPL 2.0 许可证下使用和实施。
• 跨平台——它不依赖于一种操作系统或编程语言。
• 增强的协议安全性——为用户提供 身份验证、授权、完整性和机密性。
• Method的引入，代表对象的函数调用——方法被调用（invoked），函数完成后返回，无论成功与否。
• IEC 62541 中信息模型的集成 - 该规范是供应商将其信息集成并将其复杂数据建模到 OPC UA 命名空间所需的基础设施的基础。它利用 OPC UA 丰富的面向服务的架构。

OPC UA 框架 (IEC 62541)

现场级通信 (FLC) 倡议指定的现场扩展基于 OPC UA 框架 (IEC 62541)。该框架为供应商提供了一个独立的平台，允许安全可靠的信息交换。

图 2.OPC UA 系统架构

OPC UA 框架支持客户端/服务器服务和协议以及发布/订阅 (PubSub) 模型和协议。OPC UA 可以在专用的客户端和服务器关系上运行。在PubSub场景中，服务器向网络发送（发布）数据，客户端（订阅者）将接收数据。

值得注意的是，在 OPC UA 规范中，客户端/服务器和 PubSub 模型都非常强调数据的身份验证、签名和加密。

OPC UA 在工业自动化中的作用

除了作为工业自动化的机器对机器通信协议之外，OPC UA 也是连接机器和业务网络的完美候选者。OPC UA 不仅传输设置点、测量值和过程参数等机器信息，而且还定义和描述数据。这是通过 OPC UA 规范中的映射来完成的。

借助 OPC UA 信息模型，可以非常高效地在 PLC 和任何更高级别、面向业务的软件层之间建立新流程。

图 3. 自动化金字塔中的 OPC UA。

在工业过程中，设定点和控制变量可以作为材料主数据的一部分轻松、集中地维护和控制。即使是客户订单特定的信息也可以直接与 PLC 交换，而不是在不同的软件层之间复制数据。

此外，由于连接是标准化的，因此提供测量和流程详细信息作为业务文档的增强以进行全面分析也是一项简单的任务。

随着 工业4.0的到来，层次分离和信息流自上而下的方法开始混合，这意味着在智能网络中，每个设备或服务都可以自主地发起与其他服务的通信。

PLCopen （基于 IEC 61131-3 的控制器制造商协会）与 OPC 基金会合作定义了相应的 OPC UA 客户端功能块。它为 PLC 创建了一种与其他控制器水平交换复杂数据结构的方法，或通过 制造执行系统 ​(MES) 或 企业资源规划 (ERP) 系统中的 OPC UA 服务器垂直交换复杂数据结构，以检索新生产订单或将数据写入云端。这项工作使生产线能够结合集成的 OPC UA 安全性自主运行。

世界各地的行业已经使用 OPC UA 实施了垂直集成。工业过程中的每个组件，例如控制器、传感器、机器人、相机和测量设备，都是一个独立的机器单元，每个组件本身同时充当OPC UA服务器和OPC UA客户端。

因此，每个机器单元都可以利用 OPC UA 方法、事件或数据点来发布其模式、属性和功能，并将其自身作为服务提供。

工业 4.0 和 OPC UA

如前所述，通过工业4.0和工业物联网（IIoT），信息可以在智能网络中的不同设备之间自由流动。这对数据和信息的安全和标准化交换提出了严峻的挑战。

2015年，工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0）仅推荐使用IEC标准62541 OPC UA来实现通信层。因此，任何标榜“支持工业 4.0”的产品都必须支持 OPC UA，无论是集成的还是通过网关的。

在客户端-服务器模型中，通常使用 TCP 和 HTTPS。在PubSub模型中，使用UDP、AMQP和MQTT。

图 4.显示 OPC UA 工作原理的图表。

值得一提的是，OPC UA还在芯片、小型设备和传感器中实现。除了在工厂车间使用之外，OPC UA 应用程序已经部署在其他领域，例如油炸锅、烤箱、咖啡机和洗碗机等商用厨房设备。

OPC UA 未来路线图

交易

随着OPC UA在众多行业中的日益普及，OPC UA是一个很好的配置候选者。简单的配置任务可以使用方法来解决，对于更复杂的流程， 将需要事务。

云中的元数据

当数据发布到 巨控云 和 阿里云 等云应用程序时，数据通常不包含服务器地址空间中的元信息。元数据将有助于将来解决这个问题。

云中继

即使服务器和客户端位于单独的防火墙后面，云中继功能也允许不同 OPC UA 应用程序之间进行连接。

确定性通信

在当前和过去的通信时代，通信不是确定性的。借助第五代无线系统 5G，它将提供更好的性能和确定性。它将类似于时间敏感网络（TSN），将 PubSub 模型映射到 5G 协议将使 OPC UA 更具确定性。

用于确定性通信的附加协议映射

除了 5G 之外，映射到 WiFi 6/7 还可以使该协议对于无线和移动工业应用变得具有确定性。此外，映射到具有 QoS（服务质量）支持的第 3 层网络技术有望实现在有线和无线网段上无缝路由的确定性 OPC UA 通信。

OPC UA通信协议跨平台

巨控网关的opc协议：支持OPC DA/UA（免DCOM配置，直接可以通过第三方通用组态软件访问）