摘要： 工業(yè)4.0已成為近兩年科技領(lǐng)域及財經(jīng)領(lǐng)域的熱門詞匯，它是德國人根據(jù)自身的工業(yè)基礎(chǔ)、生產(chǎn)經(jīng)驗以及已有的科技手段所總結(jié)出的一套最佳實踐（Best - Practice）理論體系。

工業(yè)4.0

工業(yè)4.0已成為近兩年科技領(lǐng)域及財經(jīng)領(lǐng)域的熱門詞匯，它是德國人根據(jù)自身的工業(yè)基礎(chǔ)、生產(chǎn)經(jīng)驗以及已有的科技手段所總結(jié)出的一套最佳實踐（Best - Practice）理論體系。

工業(yè)4.0概念源于德國聯(lián)邦教育部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部的一份報告，該報告中提出了一種嶄新的“智能制造”模式，從而更加有效的整合生產(chǎn)過程中的資源，并更加快速的適應(yīng)來自市場的生產(chǎn)需求。

在提出工業(yè)4.0概念的同時，報告中也對構(gòu)建智能工廠的方法進(jìn)行了闡述：

• 通過信息化技術(shù)與自動化技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建深度整合的數(shù)字化工廠；

• 將射頻技術(shù)應(yīng)用于物料管理、配件裝載，生產(chǎn)追溯等環(huán)節(jié)，形成智能化的物流與生產(chǎn)周期管理體系；

• 通過設(shè)備間的互聯(lián)，提高設(shè)備間的相互協(xié)同能力，從而使生產(chǎn)模塊間的搭配方式更靈活、更自由；

• 利用機(jī)器視覺，人工智能等技術(shù)，使機(jī)器人與設(shè)備具備更加智能化的功能；

• 通過對能源與物料消耗情況的監(jiān)測與分析，得出節(jié)能降耗方案，打造綠色工廠。

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構(gòu)建智能工廠是一項復(fù)雜的工程，它不但涉及到眾多專業(yè)領(lǐng)域（機(jī)械，電子，自動化，IT），同時涵蓋了多種應(yīng)用技術(shù)（信息技術(shù)，感知技術(shù)，控制器，人工智能等）。

由于該系統(tǒng)的復(fù)雜性，業(yè)界在很長一段時間內(nèi)都無法對其進(jìn)行系統(tǒng)化的定義，而工業(yè)4.0的出現(xiàn)則通過對生產(chǎn)體系中要素的剖析以及對共性的總結(jié)，提出了一套完整而標(biāo)準(zhǔn)的概念體系：物理信息系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)平臺。

物理信息系統(tǒng)（Cyber - Physical System）

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物理信息系統(tǒng)Cyber - Physical System（CPS）由一系列符合CPS特性與原則的CPS節(jié)點（CPS Node）組成。在具體的應(yīng)用中，CPS節(jié)點對應(yīng)的是生產(chǎn)體系中的各類設(shè)備，如PLC、機(jī)械手、RFID讀寫器、傳感器與攝像頭等。

每個CPS節(jié)點通常需要具備CPS二元屬性，且需要遵循CPS兩項原則：

• 物理屬性：具備與物理世界對接的能力，如傳感，感知與控制等；

• 信息屬性：涵蓋一系列信息化手段，如數(shù)據(jù)管理，邏輯處理及網(wǎng)絡(luò)通訊等；

• 去中心化原則：原則要求CPS中的每個節(jié)點作為獨立的運(yùn)行個體，獨立的管理自身的硬件、數(shù)據(jù)、計算邏輯與網(wǎng)絡(luò)通訊，而無需依賴于第三方系統(tǒng)；

• 可交互性原則：原則要求CPS節(jié)點必須以標(biāo)準(zhǔn)化及網(wǎng)絡(luò)化的方式，實時、可靠、安全的與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

下表對CPS的一些應(yīng)用場景進(jìn)行描述

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下表對一些不滿足兩項基本原則的設(shè)備進(jìn)行闡述

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物聯(lián)網(wǎng)平臺（Internet of Things Platform）?

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CPS系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場層面的具體任務(wù)，因此它無法滿足企業(yè)管理層面的需求。在此背景下，工業(yè)4.0在CPS體系之上引入了物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)作為CPS系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。

物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)在國內(nèi)又稱為兩化融合系統(tǒng)，它是以監(jiān)控、管理與業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的信息化系統(tǒng)。該套系統(tǒng)主要具有以下特性：

• 集中監(jiān)控：與生產(chǎn)中各環(huán)節(jié)（生產(chǎn)，庫存，能耗等）底層設(shè)備進(jìn)行通訊，并將它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理、實時監(jiān)控和統(tǒng)一分析；

• 信息化及SOA：將晦澀的感知信號變?yōu)楹唵我锥臄?shù)據(jù)；將具體的控制指令轉(zhuǎn)化為直觀的操作方法；將零散的過程化數(shù)據(jù)匯總為有價值的業(yè)務(wù)信息；

• 大數(shù)據(jù)：作為工業(yè)大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)倉庫層，負(fù)責(zé)將監(jiān)控信息，生產(chǎn)追溯信息與業(yè)務(wù)信息進(jìn)行存檔與匯總，并對外提供歷史查詢服務(wù)及簡單的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

• 標(biāo)準(zhǔn)而完整的服務(wù)：實時數(shù)據(jù)服務(wù)，歷史查詢與分析服務(wù)，事件與報警服務(wù)，事務(wù)與操作服務(wù)，會話與審計等；

• 高度可定制化：根據(jù)應(yīng)用場景的不同，靈活的定制信息模型與業(yè)務(wù)模型。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，通常情況下，與現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用場景均可使用，以下是幾個典型的應(yīng)用場景：

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工業(yè)4.0中的智能工廠

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隨著工業(yè)4.0概念的提出以及工業(yè)4.0技術(shù)的逐漸成熟，我們將看到越來越多有別于傳統(tǒng)自動化工廠的應(yīng)用模式。

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在CPS體系中，執(zhí)行設(shè)備+感知設(shè)備的組合模式將得到廣泛應(yīng)用：RFID+PLC，傳感器+PLC等組合將使工廠的定制化生產(chǎn)成為可能；而RFID的普及將大幅提高庫存管理的自動化程度，并增強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可追溯能力；

在物聯(lián)網(wǎng)體系中，SCADA、MES、EMS和WMS系統(tǒng)間的界限與層級將越來越模糊：SCADA系統(tǒng)的功能將向上延伸（更豐富的業(yè)務(wù)處理能力及數(shù)據(jù)管理能力）；MES、EMS、WMS系統(tǒng)將向下擴(kuò)展（具備更多與底層設(shè)備進(jìn)行通訊的能力）；伴隨著彼此之間的滲透與融合，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺將逐漸形成，并憑借其標(biāo)準(zhǔn)而靈活的架構(gòu)，方案可定制化程度高等優(yōu)勢，將傳統(tǒng)系統(tǒng)取而代之。

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關(guān)于工業(yè)4.0趨勢的闡述并非虛無縹緲，因為它不但是西方學(xué)術(shù)界所共同總結(jié)出的最佳實踐理論體系，而且也是業(yè)界領(lǐng)軍者們根據(jù)自身利益與產(chǎn)品定位所達(dá)成的普遍共識。因此早在工業(yè)4.0概念推出之前，這些巨頭們已經(jīng)在著手進(jìn)行相關(guān)的知識與技術(shù)儲備，并于近幾年內(nèi)逐步推出自己的產(chǎn)品和解決方案。

當(dāng)前，中國的生產(chǎn)模式依然處于較為粗放的階段，與西方發(fā)達(dá)國家仍存在著較大的差距。作為后來者與跟隨者，學(xué)習(xí)與效仿西方先進(jìn)理念與技術(shù)無疑是縮小差距的最佳途徑；因此筆者想通過本文，為大家介紹一個國內(nèi)尚未被廣泛認(rèn)知，而西方工業(yè)領(lǐng)軍者們已經(jīng)開始廣泛采納的技術(shù)路線 - OPC UA。

OPC UA - 工業(yè)4.0技術(shù)路線圖

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OPC UA又稱為OPC統(tǒng)一架構(gòu)，它是一套集信息模型定義，服務(wù)集與通訊標(biāo)準(zhǔn)為一體的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)框架。OPC UA規(guī)范由OPC基金會主導(dǎo)制定，并由多家廠商參與技術(shù)層面的設(shè)計、開發(fā)與產(chǎn)品化。

OPC UA架構(gòu)的目的在于為行業(yè)內(nèi)的軟、硬件廠商和集成商提供一套指導(dǎo)性的技術(shù)路線圖，從而幫助它們無縫的融入到工業(yè)4.0中的各個體系當(dāng)中：

對于構(gòu)建智能工廠的解決方案提供商而言，OPC UA是一套標(biāo)準(zhǔn)化、便于整合的產(chǎn)品家族，該套產(chǎn)品體系遍布于智能工廠的CPS系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并能夠滿足以下幾點需求：

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對于CPS設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)的開發(fā)者，OPC UA是一套符合OPC UA規(guī)范的實時數(shù)據(jù)中間件開發(fā)框架，其特點如下：

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OPC UA架構(gòu)簡介

OPC UA是一個Client/Server架構(gòu)的實時數(shù)據(jù)庫框架，UA Server負(fù)責(zé)管理自身的數(shù)據(jù)與處理邏輯，并通過OPC UA通訊協(xié)議對UA Client程序提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)與服務(wù)。

UA Server是基于OPC UA 服務(wù)器框架(UA Server SDK) 二次開發(fā)而生成的服務(wù)端程序，該程序即可以是CPS體系中的CPS設(shè)備： PLC, RFID Reader或傳感器，也可以是物聯(lián)網(wǎng)體系中的應(yīng)用平臺：MES，SCADA，EMS, WMS等。

UA Client負(fù)責(zé)與UA Server進(jìn)行通訊，并訪問UA Server中的數(shù)據(jù)與服務(wù)。由UAClient 開發(fā)的程序可以是界面應(yīng)用（HMI、報表和報警中心），企業(yè)管理與決策平臺（ERP和大數(shù)據(jù)平臺），物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（與CPS設(shè)備進(jìn)行通訊的MES或SCADA）或是CPS設(shè)備（與RFID Reader進(jìn)行協(xié)同的PLC）。

OPC UA Server三層結(jié)構(gòu) - 數(shù)據(jù)層，服務(wù)層與通訊層

OPC UA的數(shù)據(jù)層又稱地址空間（Address Space），它是由一系列擁有具體含義的內(nèi)存數(shù)據(jù)與持久數(shù)據(jù)所組成的數(shù)據(jù)集合。地址空間采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行設(shè)計，由于其數(shù)據(jù)組織方式靈活自由，因此能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)，事件，報警，事務(wù)和信息模型進(jìn)行統(tǒng)一管理與描述。

OPC UA服務(wù)層介于數(shù)據(jù)層與通訊層之間，負(fù)責(zé)處理指定的交互任務(wù)。

OPC UA的通訊層又稱UA 協(xié)議棧(UA Stack)，其特點如下：

√??? 安全通道：負(fù)責(zé)對UA Client與UA Server的通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密與解密；

√??? 多種傳輸格式：支持二進(jìn)制和 HTTP 數(shù)據(jù)傳輸，其中采用 HTTP 格式的數(shù)據(jù)具有防火墻友好的特性；

√??? 多傳輸方式：目前支持TCP通訊，將來會支持UDP通訊。

如何使用OPC UA

OPC UA是一項由淺入深的技術(shù)，針對不同需求的OPC UA使用者，其所需掌握的知識深度與技能的種類也有所不同。

OPC UA Server產(chǎn)品開發(fā)建議

開發(fā)UA Server產(chǎn)品是一項復(fù)雜的工程，因此筆者根據(jù)自身的開發(fā)經(jīng)驗，在架構(gòu)層面進(jìn)行了一些總結(jié)，以供參考。

嵌入式UA Server:

√??? 物理交互層：用于與設(shè)備的物理層進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)將上行物理信號轉(zhuǎn)換為OPC UA 格式，將下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理控制信號；

√??? 邏輯計算層：對采集數(shù)據(jù)及中間數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，對控制邏輯進(jìn)行處理；

√??? 應(yīng)用模型：根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備特性所定義的設(shè)備模型及相應(yīng)的邏輯計算模型。

物聯(lián)網(wǎng)平臺UA Server：

√??? 設(shè)備通訊層：與現(xiàn)場多個且不同種類的設(shè)備進(jìn)行通訊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，命令的下發(fā)，通訊鏈路的維護(hù)以及通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換等；

√??? 業(yè)務(wù)處理層：將采集上來的信號變?yōu)楹唵我锥臄?shù)據(jù)；將所需執(zhí)行的任務(wù)分解為具體的控制命令；將過程化的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，形成有價值的業(yè)務(wù)導(dǎo)向信息；

√??? 應(yīng)用模型：根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備特性定義的設(shè)備模型，以及以服務(wù)為導(dǎo)向的業(yè)務(wù)管理模型；

√??? 配置管理：負(fù)責(zé)在地址空間中動態(tài)的創(chuàng)建設(shè)備通訊實例和業(yè)務(wù)處理實例；

√??? 歷史管理：負(fù)責(zé)記錄程序運(yùn)行過程中的設(shè)備數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并對外提供查詢服務(wù)。

OPC UA生態(tài)系統(tǒng)：

OPC UA應(yīng)用案例

結(jié)束語

OPC UA是一項匯集了業(yè)界專家常年實踐經(jīng)驗的產(chǎn)物，無論是總體的設(shè)計思想，還是具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，都能讓我們感受到OPC UA所凝聚的匠人精神。

學(xué)習(xí)OPC UA 是一個自我提升，自我修煉的過程：通過對OPC UA的學(xué)習(xí)，我們能從中汲取到寶貴的知識與經(jīng)驗；通過使用 OPC UA，我們能夠站在巨人的肩膀上，站得更高，看的更遠(yuǎn)。

作為OPC UA忠實的粉絲，筆者希望借此文章讓更多的人接觸與理解OPC UA，并希望在不久的將來，國內(nèi)市場上能出現(xiàn)更多國人自己的OPC UA產(chǎn)品及解決方案。