恩智浦是如何促进工业4.0与OPC UA融合的？

我们现代化的生活方式无不依赖于一系列设施。在这些设施的背后，是机器、传感器、运动控制系统、可编程逻辑控制器 (PLC) 以及企业级软件的无缝协作。

从汽车到药品的生产，电子器件和软件组成的网络有条不紊地制造出各种产品，提升我们的生活质量。为了构建可靠的工业4.0系统，工程团队必须从设计之初就将连接和互操作纳入考量。

安全性、可靠性、互操作性以及系统的持久性，构成了连接的核心挑战。工业4.0不仅仅是传输原始数据。我们可以利用信息的力量将复杂的组件网络转换为有意义的智能，确保生产系统的高效运转。

区分原始数据和加工后的信息至关重要，因为有效的运营决策往往基于多个数据源综合得出的信息。信息建模是工业4.0的关键部分。在构建工业4.0系统的过程中，OPC统一架构 (UA) 是实现系统互操作性的关键工具。

OPA UA基础知识

OPC UA是一种信息架构，旨在实现工业组件之间的互操作性。OPC UA的设计基于工业界的集体智慧，建立在几个关键支柱上，从而为长期的、公开的信息交换提供了坚实的保障。

信息建模、互操作性和访问

许多通信标准都侧重于移动原始数据。OPC UA对信息交换方式进行了标准化。OPC UA以数据类型为起点，将这些基础元素巧妙地组织成灵活的信息结构，从而能够精确地模拟各种传感器、设备或流程。

OPC UA信息建模框架（图源：OPC基金会组织）

OPC UA对适用于许多常见工业机械和工艺的模型进行了标准化。例如，可以使用OPC 40502-1对CNC系统进行建模。这意味着，任何符合OPC UA标准的软件都能够以一种规范化的方式访问CNC设备的状态，极大地简化了不同系统间的集成过程。

除了标准信息模型之外，供应商还可以添加扩展，为其设备赋予特定功能。在OPC UA的框架下，访问信息的机制实现了标准化，供应商特定信息可以通过标准化的OPC UA访问机制发现和查询。此外，OPC UA还能够执行任务或调用目标设备上的域特定API。

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在OPC UA架构中，信息访问主要通过两种模式实现：一是客户端-服务器模式，二是发布-订阅 (Pub-Sub) 模式。

OPC UA信息模型访问 (图源：OPC基金会组织)

当OPA UA于2008年首次发布时，客户端-服务器模式是信息交换的主要模式。OPC UA的设计受其历史发展的影响。客户端-服务器模式基于TCP传输和HTTP/SOAP。

具有请求-响应的OPC UA客户端-服务器模式

客户端-服务器模式适用于多种应用场景。在这种模式下，客户端负责管理其所需信息的获取。然而，当众多客户端同时向同一OPC UA服务器请求相同的数据时，每个客户端必须独立请求数据。这种方法可能会导致网络流量激增和系统复杂性加剧。

为了优化这些场景和访问模式，OPC基金会在其规范中引入了发布-订阅模式。在发布-订阅模式中，生成信息的设备可以将数据发布到“代理”。需要访问数据的设备可以通过“主题”来从代理处获取特定信息。

OPC UA发布-订阅访问模式

代理可以选择多种开放的面向消息的中间件软件，如AMPQ (ISO/IEC19464:2014) 或通用的MQTT (ISO/IEC20922:2016) 消息系统。

这些中间件的关键在于，OPC UA已经定义了信息的结构，允许端点以一种标准化的方式来处理信息。发布-订阅模式的优势在于它能在众多设备需要获取相同信息时，显著降低系统的复杂性。

此外，OPC UA还定义了一种无代理的信息交换模式。这个模式无需依赖任何额外的软件或中间件。

OPC UA安全性

OPC UA在信息传输中通常采用TCP/IP协议 (包括TCP和UDP)，并且通过符合标准的安全措施为数据保驾护航。在客户端与服务器 (或信息代理) 之间的TCP会话中，会话加密技术得到广泛应用。

这一过程可能涉及X.509证书，确保信息交换的双方都能够验证对方身份认证的有效性。此外，消息签名功能确保了接收方能够验证请求方的身份。OPC UA还具备审计功能，能够记录访问活动，留下审计轨迹。

跨平台与运行时环境的自由

得益于OPC UA在TCP/IP和以太网上的运行能力，几乎所有配备了以太网接口的硬件设备都能够加入到OPC UA的生态系统中。

无论是运行Linux的i.MX 93，还是搭载RTOS的i.MX RT跨界MCU (如i.MX RT1180)，甚至是基于MCX N947微控制器的裸机，都可以轻松实现客户端或服务器的功能。解决方案可以包括高级、功能强大的操作系统，如Linux。软件的部署可以从open62541或S2OPC协议栈等开源项目开始。而众多商业产品的加入则进一步加速了开发进程。

与OPC UA和TSN的确定性通信

在工业应用中，确保信息传递和关键控制的确定性时序至关重要。TSN（时间敏感型网络）以太网技术便是为了满足这种确定性实时需求而生。

结合IEEE1588v2精确时间协议，TSN通过设定网络上无竞争的固定通信时间窗口，实现了节点间的确定性通信。

虽然TSN的开发是独立于OPC UA的，但OPC UA能够在任何以太网网络中实现互操作性。随着OPC UA的发展，OPC基金会引入了层间控制功能，允许高优先级的信息传递得到优先处理。OPC UA和TSN可以协同工作，以实现可互操作的、确定性的系统。

恩智浦的器件 (如i.MX RT1180) 内置了对千兆TSN的硬件支持。i.MX RT1180适用于OPC UA节点。i.MX RT1180支持高达5Gb的端口速率，并且兼容最新的TSN标准，为工业4.0解决方案带来了实时控制的可能性。

打造先进的OPC UA解决方案

OPC UA是一种为工业4.0应用构建的可扩展、开放且安全的信息架构。在该架构下，工程师能够设计出可以“插入”到复杂生产场景的自动化解决方案，简化信息交换。OPC UA的开放性保证了设备能够在其整个生命周期中与坚固耐用的工业设备相匹配。

恩智浦以其多样化的技术选项，为实现OPC UA解决方案提供了强有力的支持。

支持以太网的微控制器，如裸机运行或使用FreeRTOS等简单RTOS的MCX N947

支持TSN的跨界MCU，如搭载了Zephyr等功能强大的RTOS的i.MX RT1180

工业应用处理器，如运行Linux的Layerscape LS1028A

拥有面向OPC UA的商业软件支持选项以及跨平台的开源版本。

审核编辑：刘清