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對于智能制造而言，其實現的基礎是數字互聯—將整個企業從底層設備、現場傳感器到機器的生產數據、工藝參數、能耗等進行采集，并為全局的生產優化提供數據分析的基礎，傳統的現場總線僅解決在控制層面的數據，而對智能制造則牽扯到全局的優化、策略、路徑、規劃的問題，而這些互聯又牽扯到異構網絡與多代次產品的集成問題，OPC UA則是解決這一問題的聚焦點，在這里有必要結合實際對其進行分析并分析其應用。

一、智能制造對于通信的需求變化

智能制造與傳統的垂直網絡架構由所不同，傳統的金字塔架構數據從底層到頂層一層層的數據，智能制造則會面臨一個新的局面，即分布的計算單元需要不同的數據，數據以端對端的方式進行自由的組合應用，如圖1，自動化數據包括經典的架構，從控制級、過程控制、車間管理、SCADA、MES/ERP等多個層級。

因此，基于CPS架構的新自動化技術則需要全新的架構來支撐網絡的互聯，傳統的現場總線主要是解決互聯互通（通信的協議與規范），而在異構網絡中，以及IT與自動化的融合中，存在著對于語義互操作的迫切需求，不僅要包括了通信所傳輸的數據，而且包括了數據的語法與語義，才能實現互相之間的溝通，對數據的識別處理。

二、為什么采用OPC UA？

1.OPC UA技術簡介

OPC UA旨在解決語義互操作層面的互聯問題，當然，整個OPC UA架構，如圖2，包括了傳輸機制、元數據、基礎信息模型以及行業信息模型，整個架構設計思想是面向服務架構（SoA）。

其實OPC UA包括了傳輸協議（支持TCP二進制、Web Service的傳輸機制），右側是包括元信息模型的規范，OPC UA服務集提供連接、屬性管理、安全通信服務、瀏覽等多種與傳輸通信相關的服務子集。在基礎的信息模型中，OPC UA提供了標準的Web服務來訪問地址空間里的對象的框架，并確保信息的傳輸安全性。

圖2-OPC UA架構

OPC UA的基礎信息模型在于為訪問者提供了訪問與操作的標準，數據格式、語義的標準。

OPC UA的對象（Object）是由被參考（Reference）連接的節點（Node）組成。不同的節點類(Class)傳輸不同的語義（Semantics）。一個變量節點代表“值”可以被讀或寫，變量節點有相關的數據類型（DataType）來定義實際值，如字符串、浮點數、結構等。方法節點（Method Node）代表可以被調用的功能，每個節點都有大量的屬性包括唯一的識別號稱為NodeID和稱為BrowsName的非本地化命名。

對于對象與可變節點（Variable Node）都稱為實例節點（Intance Node），節點總是參考一個類型定義(ObjectType或VariableType)，這些節點描述他們的語義和結構。

2.采用OPC UA的8個主要原因

圖3總結了OPC UA之所以成為智能制造聚焦的互聯技術在于如圖所示的幾個方面，比較關鍵的在于：

（1）OPC UA建立了信息模型，對于不同的行業而言，實現互聯、并制定協同的機制本質在于建立信息模型，將相互關聯的數據按照一定的架構進行采集分組并進行應用分析。

（2）安全機制：對于OPC UA而言，其支持X509的安全信息交互標準，并支持角色與規則定義，為應用定義不同層級的權限管理。

圖3-支持OPC UA的8個主要原因

（3）廠商無關的獨立性：對于End User而言，這非常重要，因為任何一個企業的私有通信標準與規約不能成為一個用戶的標準，而OPC UA自身是公益型組織，而各個技術組織都愿意跟隨OPC UA的發展腳步。目前各個現場總線基金會如POWERLINK、Profinet等都已經加入OPC UA基金會，包括FDT/DTM、OMAC/PackML、MTConnect、Euromap等垂直行業技術組織。

三、OPC UA針對行業信息模型

圖4顯示了OPC UA基金會不僅得到了各個現場總線組織的支持，也包括了OMAC/PackML、MTConnect、ISA-95、AutomationML等行業技術組織的支持。

圖4-OPC UA的支持組織

如圖5，即使Euromap 77規約對注塑機與MES之間進行交互的設備接口，這定義了對象數據的類型、結構，除了基礎的數據模型，在機器的數據對象和結構中包括了機器的基本信息、配置、注射單元、模具、驅動系統等的數據對象與標準，并在Euromap 77.2、77.3中對作業單、數據組管理進行了標準的定義，這使得不同的上層管理系統可以以標準的方式訪問不同廠商的注塑機，對其狀態進行監測，并可以給出指令給予機器執行。

圖5-Euromap的信息模型結構

四、貝加萊完整的智能制造數據互聯方案

圖6-貝加萊提供的工業現場通信互聯整體解決方案

貝加萊為整個互聯提供了完整的解決方案：包括以下幾個層面：

（1）設備高動態實時響應-采用POWERLINK實時以太網技術，可以實現針對100μS的高速控制任務，適用于運動控制、CNC和機器人、高性能視覺系統等時間嚴苛的任務。

（2）針對OPC UA，貝加萊在POWERLINK的異步數據階段支持TCP/IP的傳輸，可以用于解決OPC UA的傳輸（OPC UA本身支持的是http和TCP傳輸），這樣POWERLINK可以用于實時任務亦可用于非實時任務的語義數據傳輸。

（3）openSAFETY是針對功能安全應用的傳輸機制，其可以獨立于總線而運行，openSAFETY解決功能安全一致性問題，確保現場的設備不會對人體造成傷害，也確保控制系統不會遭遇認為的破壞。

（4）TSN技術：針對未來的IIoT應用，大數據的傳輸和分析之用途，并減少在通信互聯的硬件和軟件投入，TSN將采用802.1的新的傳輸機制，目前大部分領先的自動化公司如ABB、B&R、SIEMENS、Schneider、Bosch Rexroth等都在開發新一代的TSN產品，而其它IT廠商則包括了華為、CISCO等也積極的推進TSN的產品化進程。

除了這些自有的POWERLINK、openSAFETY以及面向未來的OPC UA+TSN外，貝加萊還有大量豐富的總線模塊用于連接現在工廠的老舊設備包括Profibus、Ethernet/IP、SERCOSIII等模塊可供互聯之用。

關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創新驅動型自動化企業，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個業務單元。作為全球工業自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產業客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業物聯網通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發環境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續的創新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業自動化領域前沿技術與方案。