OPC UA（統(tǒng)一架構(gòu)）經(jīng)過不斷擴(kuò)展，已支持使用時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)和先進(jìn)物理層以太網(wǎng)（Ethernet-APL）以及控制器到控制器通信作為計(jì)劃中的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)互操作性連接的一部分。

　　自2018年11月推出兩年后，OPC基金會現(xiàn)場級通信(FLC)計(jì)劃已經(jīng)完成了基于OPC UA現(xiàn)場交換(UAFX)的初始候選版本，可用于"控制器到控制器"的通信應(yīng)用。這標(biāo)志著通過Ethernet-APL和TSN等關(guān)鍵技術(shù)，OPC UA作為標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場級工業(yè)互操作性解決方案的重要里程碑。

　　FLC計(jì)劃發(fā)表了一份40頁的技術(shù)論文，詳細(xì)介紹了將OPC UA擴(kuò)展到現(xiàn)場層的技術(shù)方法和基本概念，以滿足工廠和過程自動化的各種要求和用例。

　　截至2021年3月，F(xiàn)LC計(jì)劃已有27家公司參與，包括全球領(lǐng)先的自動化制造商，已加入該計(jì)劃的指導(dǎo)委員會，為其提供資金、人員和技術(shù)知識的支持。共同目標(biāo)是將OPC UA的范圍擴(kuò)展到現(xiàn)場層，并使OPC UA成為工廠和過程自動化中統(tǒng)一、一致的通信標(biāo)準(zhǔn)（圖1）。在向所有OPC基金會成員開放的技術(shù)工作組中，來自60多家公司的300多名專家控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，正在努力開發(fā)適用的概念和規(guī)范。

　　控制器到控制器的原型

　　雖然有COVID-19疫情的限制，但在過去的一年里，第一版規(guī)范的相關(guān)工作進(jìn)展順利。控制器到控制器（C2C）用例的基本概念已經(jīng)形成，并納入了第一版規(guī)范草案。第一個候選版本已于2020年11月完成，并已實(shí)施原型以驗(yàn)證規(guī)范草案。工作組正在制定測試規(guī)范，這些規(guī)范正被轉(zhuǎn)換為OPC UA合規(guī)性測試工具（UACTT）的測試用例。

圖1：OPC UA可以作為一個集成的通信解決方案運(yùn)行到現(xiàn)場層級。本文圖片來源：OPC基金會

　　在規(guī)范的第二個版本中，已經(jīng)開發(fā)的概念被擴(kuò)展到控制器到設(shè)備(C2D)和設(shè)備到設(shè)備(D2D)的用例中，因此OPC UA可以用作跨所有自動化層的統(tǒng)一和一致的通信方式（圖2）。這開辟了新的可能性，特別是在不同的工業(yè)4.0應(yīng)用場景以及信息技術(shù)(IT)和運(yùn)營技術(shù)(OT)融合的應(yīng)用中。

　　現(xiàn)場層通信：系統(tǒng)架構(gòu)

　　FLC計(jì)劃指定的擴(kuò)展是基于OPC UA框架(IEC 62541)，它實(shí)現(xiàn)了安全可靠、獨(dú)立于制造商和平臺的信息交換（圖3）?？刂破骱同F(xiàn)場設(shè)備都支持面向連接的客戶端/服務(wù)器通信模型和發(fā)布/訂閱擴(kuò)展模式，由于現(xiàn)場對靈活性、效率和確定性的需求，這對于現(xiàn)場通信是必不可少的。

　　除此之外，還使用了OPC UA中指定的安全機(jī)制，其中包括身份驗(yàn)證。身份驗(yàn)證涉及數(shù)據(jù)簽名和傳輸加密，可用于客戶端/服務(wù)器和發(fā)布/訂閱通信關(guān)系。

　　FLC計(jì)劃的初始候選版本于2020年11月完成，由4個子規(guī)范（OPC UA Parts 80-83）組成，側(cè)重于控制器到控制器通信，通過點(diǎn)對點(diǎn)連接和基本診斷來交換過程和配置數(shù)據(jù)：

圖2：圖中顯示了OPC UA的用例以及現(xiàn)場層的擴(kuò)展（控制器到控制器C2C、控制器到設(shè)備C2D和設(shè)備到設(shè)備D2D）。

　　● 第80部分(OPC 10000-80)包括介紹并概述了擴(kuò)展OPC UA以與/在現(xiàn)場進(jìn)行通信的基本概念。

　　● 第81部分(OPC 10000-81)指定了控制器和現(xiàn)場設(shè)備（自動化組件）的基本信息模型以及通信概念，以滿足工廠和過程自動化的各種用例和要求。

　　● 第82部分(OPC 10000-82)描述了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如拓?fù)錂z測和時間同步。

　　● 第83部分(OPC 10000-83)描述了使用描述符和數(shù)據(jù)包進(jìn)行離線工程交換信息所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　支持TSN、APL和5G的OPC UA

　　OPC UA框架與傳輸無關(guān)，可與各種底層通信協(xié)議和傳輸物理一起使用。在將OPC UA擴(kuò)展到工廠和過程自動化中的所有用例和要求的過程中，Ethernet-APL和TSN被OPC基金會視為其戰(zhàn)略的重要組成部分控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，是創(chuàng)建可擴(kuò)展的工業(yè)互操作解決方案愿景的一部分。

　　使用TSN可以促進(jìn)建立在OPC UA之上的確定性數(shù)據(jù)傳輸，這對于要求苛刻的自動化應(yīng)用是必不可少的。此外，TSN允許使用標(biāo)準(zhǔn)化硬件和公共網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，來運(yùn)行不同的應(yīng)用和協(xié)議。這使融合的工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)施，其中的各種IT和OT協(xié)議可以共存。

　　FLC工作組正在研究，哪些TSN標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)強(qiáng)制用于基于OPC UA的終端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施組件，以滿足對性能、靈活性和易用性的特定要求。OPC基金會已明確承諾支持IEC/IEEE 60802工作組正在開發(fā)的TSN-IA（工業(yè)自動化）配置文件。為此，OPC基金會已與標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)IEC SC65C和IEEE 802.1簽訂了合作協(xié)議。

　　Ethernet-APL描述了專為過程工業(yè)要求而開發(fā)的以太網(wǎng)物理層。Ethernet-APL支持長距離高速數(shù)據(jù)傳輸、通過公共雙絞線電纜提供能量和數(shù)據(jù)，以及在危險(xiǎn)區(qū)域安全使用的保護(hù)措施。Ethernet-APL可用于在過程工業(yè)中啟用OPC UA和其它基于以太網(wǎng)的協(xié)議。OPC基金會于2020年6月加入Ethernet-APL項(xiàng)目控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，與其它非營利組織和各工業(yè)伙伴一起合作開發(fā)和推廣APL。

　　通過OPC UA進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換，不局限于有線或無線以太網(wǎng)通信。支持5G移動通信標(biāo)準(zhǔn)是OPC基金會的發(fā)展計(jì)劃之一。5G映射將無縫集成到現(xiàn)有的OPC UA架構(gòu)中，因此OPC UA FLC計(jì)劃的所有協(xié)議和配置文件的擴(kuò)展，都可以通過以太網(wǎng)、TSN以及未來的5G使用。

圖3：基于OPC UA的系統(tǒng)架構(gòu)可以包括現(xiàn)場層的擴(kuò)展。

　　工業(yè)自動化互操作性

　　OPC UA框架(IEC 62541)與FLC計(jì)劃規(guī)定的現(xiàn)場層擴(kuò)展控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，結(jié)合APL、TSN和5G等底層通信標(biāo)準(zhǔn)，提供了一個完整、開放、標(biāo)準(zhǔn)化和可互操作的解決方案。它滿足工業(yè)通信要求，并實(shí)現(xiàn)了從現(xiàn)場到云端的一致性和語義互操作性（圖4）。通過這種方法www.cechina.cn，使用各種OPC UA配套規(guī)范可以在數(shù)據(jù)源處使用標(biāo)準(zhǔn)化語義提供信息。

圖4：顯示了從傳感器到云的與OPC UA的語義互操作性。

　　考慮使用APL電纜時，流量計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化的"OPC UA流量測量數(shù)據(jù)"的情況。當(dāng)伺服驅(qū)動器被集成到一個具有以太網(wǎng)TSN的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)中時，伺服驅(qū)動器可以處理標(biāo)準(zhǔn)化的 "OPC UA驅(qū)動設(shè)定值"，并提供標(biāo)準(zhǔn)化的"OPC UA實(shí)際驅(qū)動值"。 （作者：PeterLutz）