第三章 OPC UA与产业升级

3.1 OPC UA对于控制层的意义和构想。

OPC 为不同控制器之间以及控制器和MES/管理
系统之间的通信打下了坚实的基础。

大量的控制器（PLC）和MES系统厂商只专注于自己的专业领域，而OPC UA提供了一个纵向通信来打通这一点，并提供了标准的接口，且更加安全、实用。

控制器层面所有的相关内容都可以被认为是面向服务控制（SoA-PLC）的基本准则。而控制器的实时性通常由发布-订阅模式来实现。

由于TCP/IP协议的数据完整性需要通过重发来保证，因此缺乏PLC所需要的实时性。（现在机器人行业常用的ROS1通过UDP协议来实现发布订阅，ROS2则利用DDS来实现）
其中的难点在于：
实时域（PLC）与非实时域（OPC UA）之间的数据传输要如何定义接口与传输方式。

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PLCopen：控制层映射及功能块
PLCopen国际组织根据不同的国际标准，针对控制器设计定义了许多重要组件（如运动控制）。
他们也发布了两个技术规范：

• 《PLCopen OPC UA信息模型》：如何在OPC UA环境中描述IEC 61161-3 所定义的数据类型、功能块和数据结构等。（也就是OPC UA到IEC 61161-3 的映射）
• 《PLCopen OPC UA UA IEC 61161-3客户端》：如何利用PLCopen功能块以客户端角色发起 OPC UA通信

功能块：

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OPC UA 发布-订阅模式

客户端-服务器模式更适合非实时、异步的数据通信。
实时通讯通常使用基于以太网的现场总线协议，如EtherCAT等。此时数据传输模式为发布-订阅模式。

OPC UA正在对标准的发布者-订阅者通信模式进行扩展， 以便同时支持典型的、标准的OPC UA数据呈现，以及当前所欠缺的实时加密的1：n通信方式。新的标准在工业4.0框架中同时支持基于UDP\IP的数据传输（实时）和基于其他协议（AMQP\MQTT）的数据传输（非实时）。

当不同厂商的控制器采用UDP\IP协议进行数据交换时，它所带来的好处：
只要通信部份在控制器固件的实时域内实现，系统就自然获得了数据交换的实时性。

OPC UA确立标准，不同厂商控制器都需要信息交换，可实现更简单便利的实时通讯。

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行业信息模型

OPC UA在控制器领域内还支持所谓的行业伴随标准。
OPC UA元模型（metamodel）的基础上定义用于描述特定应用领域内的专用数据类型、实例和关系。可以从原来的行业标准–映射到OPC UA服务器中。
典型示例：

• OPC UA ADI（分析仪设备集成，Analyzer Device Integration）标准
• AMI（自动识别、数据采集以及移动数据通信）协会的AutoID标准

无需对设备做更多配置（定义行业相关数据类型和方法），就可直接对其进行访问。

借助OPC UA特定应用域模型的确立，长久以来讨论中的即插即生产（plug-and-produce）理念才有可能成为现实。

控制器层面的两个可能性：

1. 通过控制器模拟这些设备
2. 为控制器添加额外的用于与行业设备通信的库函数。

OPC UA以XML格式描述行业伴随标准，且类型和实例的编码位于节点集合内。OPC UA服务器可以方便地加载或者导入这些信息模型。而控制器厂商只需要确定规则，将节点集合内的数据点与控制器上的实际数据点链接起来。

UA-Nodeset
上述行业伴随标准开源可下载：UA-Nodeset
每个标准下有这些文件：

• .NodeSet2.xml - The formal definition of the Nodes defined by the specification;
• .Types.xsd - The XML schema for the DataTypes defined by the specification;
• .Types.bsd - The OPC Binary schema for the DataTypes defined by the specification (obsolete);
• .NodeIds.csv - A CSV file containing the NodeIds assigned to Nodes defined by the specification;

通常如其名称所述，为节点、类型的节点集合，偶尔也有信息模型文件。不同领域互相还有引用。
例如Robotics的Nodeset就需要依赖于DI的Nodeset。

<UANodeSet xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema" LastModified="2019-05-06T00:00:00Z" xmlns="http://opcfoundation.org/UA/2011/03/UANodeSet.xsd">
  <NamespaceUris>
    <Uri>http://opcfoundation.org/UA/Robotics/</Uri>
    <Uri>http://opcfoundation.org/UA/DI/</Uri>
  </NamespaceUris>
  <Models>
    <Model ModelUri="http://opcfoundation.org/UA/Robotics/" Version="1.0.0" PublicationDate="2019-05-06T00:00:00Z">
      <RequiredModel ModelUri="http://opcfoundation.org/UA/" Version="1.04" PublicationDate="2019-05-01T00:00:00Z" />
      <RequiredModel ModelUri="http://opcfoundation.org/UA/DI/" Version="1.02" PublicationDate="2019-05-01T00:00:00Z" />
    </Model>
  </Models>

基于SoA-PLC的TwinCAT概念

此现代控制器能够与其他基于OPC UA的控制器或控制系统无障碍数据交换和互操作。
控制器为核心，主要任务为实现实时逻辑处理和控制相应的输入输出信号。
数据由实时域采集，opc ua向外部提供。
基于软PLC概念（控制器内核运行于通用PLC和实时操作系统平台）

1. 最内层的工程化、诊断、检测等借助OPC UA服务。
2. 提供自定义类型和高附加值功能（提高语义层面互操作性）
3. 最外层（传输层），具体的数据通信，分为两种形式：基于TCP/IP的客户端-服务端，基于UDP的发布订阅模式。包括网络安全保护机制。

控制器中的opc ua的现状和未来
独一无二，数据通信、基于类型的系统和网络安全技术的整合。

3.2 西门子控制器中的opc ua

管理层：制造执行系统（MES）
操作者：数据采集于监视控制系统、工程结构、能源管理
控制层：PLC、HMI、工业PC、通信、运动控制、CNC数控
现场级：电源、工业标识、分布式输入输出、电机驱动器、工业控制器

OPC UA可以与PROFINET在同一线缆上并行。

OPC UA与现有设备升级

1. 快速大规模移植
2. 渐进式移植并支持更多现有协议
3. 基于OPC UA网关实现系统移植。