OPC UA：工业生态系统中的通信

November 14, 2022

Christina Cardoza

OPC UA

连接到互联网的设备以及相互连接的设备，比以往任何时候都多。随着物联网和 AI 在如今智能工厂中的普及，传感器和数据量都在持续增加。事实上，工业 4.0 可能听起来像是一个充满挑战和复杂性的世界。但具体情况并不一定就是如此。通信标准以及相关参与者之间的合作，可以大大有助于将这些挑战转化为工业流程的优势。

一个专家小组讨论了 OPC 基金会为此所做的努力，以及 OPC UA 和其他标准在改变制造和工业领域的通信方面的潜力。小组成员包括：工业数字化领导者 ABB 过程自动化首席技术官 Bernhard Eschermann；B&R Automation 产品管理副总裁 Stefan Schönegger（该公司是 ABB 集团的成员）；英特尔工业和消费者物联网标准高级总监 David McCall；和 OPC 基金会现场级通信总监 Peter Lutz。

当今工厂车间面临的最大挑战是什么？

Stefan Schönegger：我们的客户正面临挑战，并且安全确实是他们目前面临的第一个痛点。如果制造工厂中的设备可以相互通信，那么他们就不必过虑安全性。

但仍有大量设备尚未实现通信，可能是因为其还没有交换数据的功能。这是一个非常多样化的世界，设备来自不同的供应商，而不同的供应商使用不同的、主要是专有的标准。这阻碍了高级分析的引入，数据的传输以及价值的转化。OPC UA 和 TSN 是解决这些问题的办法。

为什么让这些设备相互通信如此困难？

Bernhard Eschermann：过去，不同的公司开发了多种通信标准，并且没有一家愿意放弃自己特定的标准。另一个挑战是，当数据从某种测量仪器进行转移，经自动化到边缘，再到中央服务和云时，我们没有一致的数据信息模型。

OPC UA 标准提供了一种在所有这些不同层之间拥有一致信息模型的方法，并且它们之间无需转换或不存在信息丢失。所有这些对于通信领域的巨大变化都非常重要。

我总是将这种情况与在两个城市之间修建铁路进行类比。我们没有在 A 地和 B 地之间建造一条大型铁路，虽然这将是两地间乘坐快速列车的最有效方式，与之相反我们有多条速度稍慢的线路。有了这个新标准，我们最终应会实现这条非常快速的铁路。

制造业能从这些数字技术中获得哪些优势？

David McCall：目前，工业通信趋于采用有线方式，网络层与运行在其上的工业自动化协议紧密相关。如果您部署了一种自动化协议，这意味着对应一种网络，您可能很难从那个受限的生态系统中获取数据。

其中有两个驱动因素：常规的物联网；然后，更具体地说，人工智能和机器视觉，我会把它们整合在一起。物联网通常意味着更多的设备，这意味着更多的连接性。并非所有这些都可能对任务至关重要，从长远来看，也并非所有这些都将采用有线方式。我们期待看到无线技术——无论是 Wi-Fi 还是 5G——进入那些最初正在快速且廉价地部署安全要求或监控的非关键任务领域。

然后您就拥有了人工智能/机器视觉。这些工作负载会摄取大量的数据。它们中的大多数都在数据中心运行，它们可能不是时间关键型的，但很可能会将它们应用于任务关键型、时间关键型负载。它模糊了传统上被认为是 IT 技术或 OT 技术之间的界限。

从长远来看，我们正在考虑拥有一个跨越有线和无线技术的单一确定性网络，并且工作负载可以采用适当的路径。您将在正确的地方部署正确的技术，这将是任何协议都可以利用的同构网络。

但这是一项繁重的工作，并且是试图确保这一切都将在一个网络上运行的原因之一。我们付出了巨大的努力，然后每个人都可以对其进行使用。

OPC 基金会如何通过其开放标准应对这些挑战？

Peter Lutz：Stefan 和 Bernhard 提到了 OPC UA，所以我将简要总结一下它的特别之处。这就是我们所说的支持互操作性的工业框架，它包括内置的安全机制，以及进行信息建模的机制。然后，这驱动了通用语义——绝对是供应商中立和供应商独立的语义。

我们还致力于扩展 OPC UA 以增强云连接，同时将其引入确定性通信、运动控制、仪器仪表和功能安全领域。我们可以将其打造为从现场到云端以及横向的完全可扩展的工业通信解决方案。

OPC UA FX 是我们用于框架扩展的术语，涵盖了现场级别的各种用例。这包括例如控制器到控制器的通信，也包括从控制器到现场设备以及从现场设备到现场设备的通信。并且该解决方案基于现有的 OPC UA 框架，因此目前任何支持 OPC UA 的公司都可以轻松迁移或升级其产品或应用程序，以支持现场级别的扩展。

如果您的客户开始使用这些标准，他们会看到哪些优势？

Bernhard Eschermann：显然，您可以获得单一通信介质上混合各种类型流量的优势（基于事件的非确定性流量和确定性实时流量）。例如，这可能意味着将控制室连接到现场的摄像头、现场的传感器、现场的执行器。所有这些都可以通过相同的通信介质完成，无需单独布线。

将该 OPC UA 层贯穿于整个系统中——在不同的物理层和不同的传输协议上——意味着数据的解读在整个系统中保持不变。无论任何特定设备来自哪个供应商，它也会保持不变。所以这可以帮助客户，因为可以建立起万物互联。它对我们有帮助，因为减少了我们开发不同映射和适配器的工作量。

为什么要加入 OPC 基金会来制定这些标准？

Stefan Schönegger：在我看来，只有一条路行得通，那就是采用开放标准，实现开放生态系统，走向安全。不采用开放标准则是一条死路。

而且，如果您展望未来，朝着更加自主化的系统迈进，您将无法手动解读数据或通过网关推送数据，并且仍然希望语义没有改变。自主化系统将需要自主工作的分析范式。您最终将获得仅由 OPC UA 和 FX 提供的功能。

英特尔在 OPC 基金会和这些标准中的参与情况如何。

David McCall：我们希望参与进来，以确保它是一个真正强大且可行的标准——不仅在技术层面，而且在业务层面。我们可以将示范者聚集在一起，站在最前沿，因为我们确实看到 OPC UA FX 处于领先地位，展示了如何把未来 5 到 10 年内绝对至关重要的技术整合在一起。

我们接下来可以对 OPC 基金会有何期待？

Peter Lutz：这是一个框架；我们正在不断改进我们的规格。其中一项关键技术当然是 TSN，因为它为我们提供了确定性传输，而且它也是IT/OT 融合的关键。我们还致力于云连接。总体而言，我们有一个大框架和多个工作组，因此我们不断改进和更新，以适应工业的需求。

您预计工业通信将从这里走向何方？

David McCall：Peter 指出 OPC 确实成功地使自己成为了事实上工业的未来发展方向。现在唯一的问题是这种转变会以多快的速度发生？现在我们看到所有主要供应商都在寻求支持他们自己现有的协议，以及 OPC UA FX。我认为 OPC UA FX 将在控制层面逐渐成为物联网的通用语。所有主要的云供应商都在对其进行标准化。然后——尤其是在绿地 (greenfield) 站点中，然后在棕地 (brownfield) 站点中逐渐增多——它将成为事实上的通信协议。

Stefan Schönegger：从工厂运营商或设备生产商的角度来看，如果您只注重效率和产量，或者关注您的工厂和生产线的适应能力，您会问：“我如何将一台设备与另一个供应商的另一台设备建立连接？” OPC UA 就是答案。

Peter Lutz：我绝对相信 OPC UA（尤其是我们目前正在为现场级别开发的扩展）将成为主要的工业通信标准。这里面分为两个方面。一方面，我认为凭借框架、严格的分层、灵活性以及 OPC UA 提供的所有功能，从技术角度来看，它会是一个面向未来的解决方案。但它正在成为标准，只是因为它被广泛接受。我认为这最终是在所有不同级别广泛采用 OPC UA 的成功模式。

Bernhard Eschermann：我们应该更多思考的是如何从全球各个工厂和车间的大量可用数据中获取价值，以提高效率。我相信全世界将受益匪浅，不仅来自通信标准本身，还来自能够更多地利用已经可供使用的数据。

最后一个观点：在很多地方，竞争是有意义的——例如，如何使用数据来创建有用的洞察。但是如果千篇一律地开发通信标准，竞争是没有意义的。