工业4.0发展阶段性解读（下）_工业4.0_OPC

工业4.0发展阶段性解读（下）

2017/8/3 15:49:30

　　工业物联网(Industrial Internet of Things)：由一系列不同功能、且彼此协作的“小脑”与“神经系统”所构建的网络化生产体系，概念着重体现互联互通的特点。需要强调的是工业物联网(IIOT)与物联网（IOT）之间存在着巨大的差别，前者主要依托于自动化体系，而后者则属于互联网；

　　物理信息系统(Cyber-Physical Systems)：智能制造体系中的每个“小脑”或“神经系统”节点都具有“信息+物理”的二元属性：信息属性包括网络、计算、数据等一系列要素，物理属性指的是与真实世界（身体）对接的能力；这一概念着重描述将物理世界进行虚拟化（信息化），并在信息层将它们进行融合的过程；

　　横向与纵向（Vertical & Horizontal）：由PLC, DCS, SCADA, MES所建立的层级化结构被称为纵向整合(Vertical)；系统与系统或设备与设备间的相互协作被称为横向协同（Horizontal）。

工业4.0基本要素

　　工业4.0实质上是一系列建立在原有自动化基础上的改良与优化措施（reform），而并非一场颠覆性的“革命”(revolution)。

　　在新型体系下，传统自动化的几大基本要素仍然起到关键性作用，但它们的表现形式将更加多元化，应用范围将更为广泛。

　　构成自动化体系的基本要素包括：

　　感知（Monitoring）：除温度、压力、开关量等传统监测形式以外，对标签（二维码，RFID）、图像、位置、声音、工单等数据类型的监测与采集将变得十分普及；

　　控制（Control）: 控制指令的来源将更多的来自于与自身进行协同的感知设备或系统（RFIDReader -> PLC, 生产监控系统 ->仓储调度系统）；

　　闭环控制（Closed-Loop control）：智能制造是一个将生产过程中各环节打通与串联的过程，而在此过程中将会出现更加广义化的闭环控制系统：如厂房“小脑”与库房“小脑”形成的动态补给闭环，生产线设备与“交通管理”系统形成的动态流程优化闭环等；

　　实时性（Realtime）：首先，自主构建的硬件与操作系统将被通用的硬件与实时操作系统所替代；其次，特殊的工业总线将逐步被标准化的实时以太网取代。

工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0）

　　RAMI 4.0是由德国ZVEI（中央电子技术与电子工业协会）制定，意在支持业界参与者共同构建智能制造体系的指导性框架。该框架涉及到诸多技术与应用领域，并从各个维度对未来的发展进行了规划与建议。

　　RAMI 4.0所涉及内容众多、体系庞大，但核心思想可以概括为：如何去构建发达的“小脑与神经系统”，并将“身体”+“小脑与神经系统”+“大脑”进行有效的搭配组合，从而最大化的发挥智能制造的潜力。

　　RAMI 4.0将一系列具有共性的技术与理念纳入到架构模型中，从而为各厂商的研发与产品化提供指导与参考：

　　统一架构（Unfied Architecture）：统一架构在逻辑层面（软件层面）定义了“小脑与神经体系”的构成方式以及沟通方式，从而确保不同功能与类型的系统在统一的“语义”（语言与思想）下进行沟通与协作；该架构主要由信息模型（Information model）、服务与通讯（Service &Communication）两部分构成，其中前者对数据本体和数据组织关系（神经元与神经纤维）进行了定义；而后者对交互的方式进行了规范（与“小脑和神经系统”沟通的方式）。

　　网络：网络负责为“小脑”、“神经系统”和“大脑”提供通讯基础设施；该网络需要具备良好的通用性，且在部分场景下需要具备实时性；

　　普适计算：智能制造中功能与场景的多样性必将导致逻辑处理复杂度的提升，因此需要一套具有普遍适用性的计算与处理方法（“小脑与神经系统”进行思考与判断的方法）；

　　行业模型：在统一架构的基础上，为不同的行业制定相应的信息与应用模型（为不同种类与功能的“小脑与神经系统”定义内部构造）。

四、工业4.0技术路线图

　　RAMI 4.0技术路线图将一系列具有开放性，且行业中性的技术纳入体系当中。这些技术与上述RAMI4.0模型中的要素具有一一对应的关系。

开放性：技术的标准与成果需对广大参与者开放；

行业中性：技术的设计与规范不得偏向于某一场景或领域，而需用于解决“共性问题”。

OPC UnifiedArchitecture - OPC统一架构

　　OPC UA又称为OPC统一架构，它是一套集信息模型，服务集与通讯标准为一体的标准化技术框架。OPC UA规范由OPC基金会主导制定，并由多家厂商参与技术层面的设计、开发与产品化。

　　OPC UA与RAMI4.0的统一架构相对应，目的在于为行业内的软、硬件厂商和集成商提供一套指导性的技术路线图（软件层面），从而帮助它们无缝的融入到工业4.0中的各个体系当中：

对于构建智能工厂的解决方案提供商而言，OPC UA是一套标准化、便于整合的产品家族，该套产品体系遍布于智能工厂的各个节点，其所覆盖的产品范围包括 MES, SCACA, WMS, DCS, PLC, RFID Reader, 摄像头等；

对于产品开发者而言，OPC UA是一套符合标准规范的实时数据中间件开发框架；产品厂商可以将自己产品的功能嵌入到UA框架中，从而提供与其他工业4.0产品相互兼容的数据与服务（Industry 4.0 Enabled）。

关于OPC UA更详细的信息，可以参考笔者的另一篇文章：《工业4.0技术路线图 - OPC UA》

http://www.gongkong.com/news/201511/332966.html

http://www.gongkong.com/news/201512/335940.html

OPC UA架构简介

　　OPC UA是一套Client/Server架构的实时数据库框架，UA Server负责管理自身的数据与处理逻辑，并通过OPC UA通讯协议对UA Client程序提供相应的数据与服务。

　　UA Server是基于OPCUA 服务器框架(UA Server SDK) 二次开发而生成的服务端程序，该程序即可以是一个嵌入式设备（ PLC, RFID Reader或传感器），也可以是一个应用平台（MES，SCADA，EMS, WMS等）。

　　UA Client负责与UAServer进行通讯，并访问UA Server中的数据与服务。由UA Client 开发的程序可以是界面应用（HMI、报表和报警中心），企业管理与决策平台（ERP和大数据平台），与本系统进行横向协同的系统或设备。

　　除了Client/Server这一1:1通讯模式外，UA在最新的规范中增加了1：N的Pub/Sub模式，该模式将通过IP Multicast技术，实现分布式控制中的主从结构。

OPC UA三层结构 - 信息模型、服务集、通讯

　　OPC UA的信息模型又称地址空间（Address Space），它是由一系列拥有具体含义的内存数据与持久数据所组成的数据集合。地址空间采用面向对象的模型化思想进行设计，从而能够适用于自动化领域的各个行业以及不同功能范围；由于其丰富的数据类型以及灵活的组织方式，因此能够对数据，业务逻辑，历史数据，事件，报警，任务等进行统一管理与描述。

OPC UA服务层介于数据层与通讯层之间，负责处理指定的交互任务。

OPC UA的通讯层又称UA 协议栈(UA Stack)，其特点如下：

安全通道：负责对通讯数据进行加密与解密；

多种通讯方式：目前支持TCP通讯，UDP以及IP Muticast；

多种传输格式：支持二进制和 HTTP 数据传输，其中采用 HTTP格式的数据具有防火墙友好的特性。

TSN + OPC UA - 实时通讯

　　TSN重点考虑了快速系统响应和闭环控制应用所需的低延迟通信。它可实现大约数十微秒的确定性传输时间以及数十纳秒的节点间时间同步。为了确保可靠地提供符合严格时间要求的通信，TSN提供了自动化配置来实现高可靠性数据路径，通过复制和合并数据包来提供无损路径冗余。与现有工业总线相比（Ethercat, Profibus），TSN建立在最为通用的IT网络标准IEEE 802之上，因此具有更好的通用性与开放性。

　　作为独立于通讯模式的软件框架，OPCUA与TSN的结合将在自动化控制领域发挥更大的作用；同时借助OPCUA的Pub/Sub特性，控制器与IO模块间将能够像工业总线一样，实现Master/Slave模式的数据与时间同步。

PLCopen + OPC UA－普遍适用的计算与处理