OPC UA + PROFINET +TSN 构建未来工业网络

前几期的文章一直和大家聊了以太网相关的基础知识。这期我们就换一下口味，聊一下未来的工业网络会如何发展。

首先我看下表，了解一下工业的发展历程。工业发展已经经历了三个阶段，现在整在朝着第四个阶段进行发展。这就是我们众所周知的工业1.0、工业2.0、工业3.0和工业4.0。

 

工业1.0阶段是机械化生产，标志是蒸汽机的发明和使用。使得产品的生产从农业时代的手工加工转变为机器加工。

工业2.0是以电气化为标志，这个工业时代电力的动力来源主要为电力。用电力驱动的机器逐步取代了蒸汽动力。

工业3.0时代是以数字化、自动化为标志的。通过电子与信息技术的广泛应用，使得制造过程不断实现自动化，是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。

工业4.0时代一般认为它是基于大数据和物联网(IoT)融合的系统在生产中的大规模使用来划分的。人们可以通过大数据的采集和人工智能的决策设计，推算出定制化的方案，进行大规模生产。

在工业1.0 和工业2.0时代，实现了不同动力来驱动设备的运转，进而实现产品的生产加工。而到了工业3.0时代，随着计算机、电子技术发展。工业也将这些新的技术引入到工业生产中来。通过设备之间进行信息交互实现生产的自动化。由于设备之间需要信息交互,“工业网络”也就应运而生。

早期的工业网络也经历了不同的发展阶段，比较重要的两个阶段分别是DCS和FCS。下图是DCS与FCS的区别：

DCS 即分布式控制系统、FCS即现场总线控制系统。

 

DCS控制系统

FCS 控制系统

DCS控制系统中，现场的传感器、执行器、检测仪表等通过模拟信号连接到中央的控制器上。

FCS控制系统中现场的传感器、执行器、检测仪表等通过现场总线通信的方式连接到中央控制器上。

FCS 替代 DCS的原因是工厂中随着生产规模的不断扩大，更多的仪表、传感器接入到系统，产线变得越来越复杂。考虑到接线方便、维护简便等工程集成因素，工业领域的企业开发了现场总线。控制层级的通信有实时性、确定性的要求，因此传统的 IT 网络通信协议没有被直接引用到工业控制网络中。

虽然FCS替代DCS给工业企业带来很多好处，但各家自动化设备厂商都开发了自己的现场总线协议。控制层级上的设备互联存在着不兼容性。这种不兼容性体现在物理介质、网络拓扑、带宽、网络间距、校验方式、传输机制、网络诊断等差异巨大。这也使得工业网络互联存在着问题。下表是IEC61158种所定义的部分现场总线。

IEC61158中定义的现场总线类型

系统在集成过程的过程中，只能有不同总线类型的控制器分别连接支持此种现场总线的设备。但这样存在的另一个问题是，操作员站需要不同的通信协议与现场的控制器进行通信。随着集成的设备种类越来越多需要开发的驱动协议也就越来越多，这使得项目的实施的过程中出现在操作员站与各家控制器的通信联网上。使得的项目的开发周期无法控制且系统的稳定性也存在着巨大的问题。

 

不同现场总线的系统集成

为了解决操作站与各控制器站之间联网的问题。OPC DA 应用而生，它的理念是每家控制器厂商都开发自己的OPC DA 服务器。这种 OPC DA 的服务器完成了两个功能：一、向下封装自己的总线协议与自己的控制器进行通信。二、向上统一基于Windows COM/DCOM技术实现计算机常用的通信方式。这样的好处是在系统集成的时候在控制层级仍然可以不同厂商的现场总线（意味着现场实时控制仍采用各厂家自己开放的现场总线协议）。操作站层级是基于Windows操作系统，在此系统上安装不同厂家的 OPC DA 服务器应用程序即可。操作员站的监控系统开发只需按照标准OPC DA的访问方式就可以实现与不同厂家的控制器的数据交互，这里可以理解为一种标准、统一的软总线。这样使得系统集成更加容易。借此，我们可以认为是通过OPC DA 实现了IT 与 OT互联时的数据转换。

OPC DA 虽然一定程度上解决了系统集成过程需要的问题。但 OPC DA技术毕竟基于 Windows 的 COM/DCOM 技术。也就意味着 OPC DA 服务器应用程序只能运行在 Windows 的计算机上，OPC DA的客户端应用程序也需要运行在 Windows计算机上。OPC DA 的客户端应用程序基于 COM/DCOM 组件进行数据交互。COM是一台计算机上的客户端应用程序与服务器应用程序间进行的数据交互。DCOM是不同计算机上的客户端应用程序与服务器应用程序进行的数据交互。但都依赖与 Windows的COM/DCOM的用户账户安全。配置不当会是客户端和服务器无法正常通信！而且OPC DA基于 COM/DCOM 技术的通信是不安全的数据交互。这种不安全的数据交互只能在计算机之间进行数据交互。正是因为种种的弊端，OPC组织继而开发 OPC UA 技术来替代 OPC DA。OPC UA相比 OPC DA来说有如下的优势：

一、 OPC UA 不在基于Windows 的 COM/DCOM技术。它可以运行在不同的操作系统之上。这样使得 OPC UA应用程序可以运行在现场层的设备上，如PLC、RFID等设备之上。OPC UA实现了跨平台的数据通信

二、 OPC UA 开发是考虑通信的安全，也就是OPC UA 数据通信是安全的。数据通信双方需要身份认证且数据是被加密的。

三、 OPC UA 除了具有传统的 OPC DA的数据通信能力外，还增加了数据模型的概念。使得通信不在是基于过程数据的通信，而是基于对象模型的通信。这样是原来的仅仅实现数据转换的通信变为一种具有语义的数据通信。

 

OPC UA 的优势

工业4.0新的需求下，工业网络不仅仅是解决控制层级和操作层级的工业网络通信，还需要与管理层级、云层级进行数据交互。这使得设备工业设备需具有语义通信的能力。这样才可以支撑工业4.0下的万物互联和IT与OT融合通信的需求。在RAMI4.0架构中的数字世界，包括了通信、数据、功能、业务过程几个部分，这些部分与数字化、物理世界的实体对象进行的沟通需要通过“管理壳”来实现其数字的结构化，构建信息模型。

RAMI4.0 数字结构化和模型化

比如，实现“数字孪生”—对物理与数字世界进行交互，那么必然会遇到这两个世界如何进行交互的问题，物理世界的对象可以是嵌入式的控制器、通过不同的总线连接的传感器、执行机构，而数字的世界包括设计软件如达索、Solidworks，或者针对专业方向的CAD、CAE软件，那么他们应该如何进行数据的交互呢？

传统的现场总线包括实时以太网都是解决“信号”的问题，对于OT而言，信号，无论是直接的物理信号（4-20mA,0-10V）还是经过总线进行的数字化传输，其本质仍然是服务于“控制”任务的，因此，对于总线而言，其主要是物理层与数据链路层解决问题即可，应用层主要为了编程方便，就像CANopen采用数据字典对数据进行解析一样，不同厂商的产品也是通过相应的设备描述文件进行解析，而这些都是在同一网络中。 

从OT控制角度而言，语义信息往往是通过查表的方式来进行对应，而每个网络又不同的定义方式，这也使得配置和编程变得多样，不同网络均需不同的编程进行数据的访问，并非不可以通信，而是比较复杂。

OPC UA解决的正是在水平集成与垂直的信息集成两个维度的“语义互操作”问题，首先在水平方向采用统一的标准定义“语义信息”，第二个问题是与IT系统进行语义的统一，使得在水平和垂直两个方向均实现统一的语义信息互操作。

OPC UA 也是集体智慧的体现。OPC UA 本身的发展过程就是一个不断的把各家公司、各个行业的经验进行了规范与标准，这个标准与规范的形成过程本身是一个知识的积累过程，它已经体现了各个厂商为了应对在复杂的互联环境中如何去构建一个高效的连接、汇集数据、建模的过程。

 

OPC UA 模型框架

整个OPC UA的架构，我们可以看到，它提出了信息如何建模、行业信息建模、数据安全传输、C/S、Pub/Sub机制的支持能力，尤其是它的垂直行业信息模型，凝聚了非常多的产业的企业对各自如何与上位管理系统连接构建了信息的模型，可以便于我们直接的访问。

数据访问的高效也是“智慧”！ OPC UA比较有意思的事情还在于，它是一个灵活的体系，并不排斥新的内容加入，如果你的部分能够得到市场认可也可以被纳入，就像MQTT、AMQP也可以被集成到OPC UA架构中一样。

OPC UA是一个关键的迈向智能时代的规范与标准，它不是一个技术，而是技术的融合，它也不是产品，而是赋予产品灵魂，它是标准与规范，让大家一起工作的时候有章可循，有法可依。

OPC基金会与许多组织积极合作

我们首先需要了解一下OPC UA的通信建模。传统的工业OT网络通信是基于变量进行数据通信的。每个变量存放着具体物理世界中的什么物理量，对于通信的设备并不知道，需要人把通信的数据与具体的物理量进行关联。而在工业4.0阶段，联网的设备和联网的系统越来越多！这样去关联每个变量这是一个巨大的工作！而且一处修改，相关联的所有通信都需要做相应的调整。

企业各系统互联过程中存在着问题

于是 OPC UA通过地址模型来解决这种问题，OPC UA 可以根据需要来创地址空间模型。地址空间模型中包含了Method、Object、Variable和Variable属性，这些都是OPC UA 信息模型中最基本的元素。这些数据元素也可以在TIA Portal中根据需要来创建出需要的信息模型。

OPC UA地址空间模型

使用OPC UA的地址空间模型中的元素，按照工业标准组织（如 MDIS、OMAC PackML Euromap）创建出来的信息模型即为Companion Specification（OPC UA 配套规范）。OPC基金会专门与来自广泛行业的组织合作。然后创建出各种Companion Specification（OPC UA 配套规范）。

OPC UA 配套规范实现

由于与标准组织的广泛的合作，所以会有不同配套规范方法：

- OPC UA Companion Specification中有面向设备的规范， 如PROFINET Companion Specification，来自不同供应商的PROFINET都可以提供此规范来获取到设备的信息。

- OPC UA Companion Specification中有面向技术的规范，如EUROMAP针对注塑机的规范

- OPC UA Companion Specification中有面向行为的规范，如OMAC PackML的规范

有了OPC UA Companion Specification，针对不同的工业领域的角色都可以从中获益：

- 对于设备制造商来说，可以利用 Companion Specification只需做一次就可以对不同的客户重复利用接口。节省编程组态的时间和成本。

- 对于系统集成商来说，由于每台机器都有标准的接口，可以直接进行整线集成。

- 对于最终用户的操作人员来说，可以很方便地根据需要连接机器参数和过程值，因为所有机器的参数和过程值都是一样的。

下面是以注塑机为例OPC UA 的配套规范实现的对象信息模型。

注塑机OPC UA配套规范模型实例

要实现协同制造，信息集成与效率至关重要，信息模型是完成“协同”的关键，为了实现机器与机器（M2M）、机器与商业系统（M2B）以及商业系统间（B2B）的协同，OPC UA是最佳的通道，OPC UA为此提供了基础信息模型，包括底层总线传输的语义可以参考统一标准进行定义，而垂直行业的信息模型也同样可以进行协同，这也是为何ISA、OMAC、AutomationML、MTConnect、Euromap等采用OPC UA标准进行统一信息模型定义的原因。

 

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