工业4.0技术路线图 - OPC UA（上）

工业4.0

工业4.0已成为近两年科技领域及财经领域的热门词汇，它是德国人根据自身的工业基础、生产经验以及已有的科技手段所总结出的一套最佳实践（Best - Practice）理论体系。

工业4.0概念源于德国联邦教育部与联邦经济技术部的一份报告，该报告中提出了一种崭新的“智能制造”模式，从而更加有效的整合生产过程中的资源，并更加快速的适应来自市场的生产需求。

在提出工业4.0概念的同时，报告中也对构建智能工厂的方法进行了阐述：

• 通过信息化技术与自动化技术的结合，构建深度整合的数字化工厂；

• 将射频技术应用于物料管理、配件装载，生产追溯等环节，形成智能化的物流与生产周期管理体系；

• 通过设备间的互联，提高设备间的相互协同能力，从而使生产模块间的搭配方式更灵活、更自由；

• 利用机器视觉，人工智能等技术，使机器人与设备具备更加智能化的功能；

• 通过对能源与物料消耗情况的监测与分析，得出节能降耗方案，打造绿色工厂。

构建智能工厂是一项复杂的工程，它不但涉及到众多专业领域（机械，电子，自动化，IT），同时涵盖了多种应用技术（信息技术，感知技术，控制器，人工智能等）。

由于该系统的复杂性，业界在很长一段时间内都无法对其进行系统化的定义，而工业4.0的出现则通过对生产体系中要素的剖析以及对共性的总结，提出了一套完整而标准的概念体系：物理信息系统与物联网平台。

物理信息系统（Cyber - Physical System）

物理信息系统Cyber - Physical System（CPS）由一系列符合CPS特性与原则的CPS节点（CPS Node）组成。在具体的应用中，CPS节点对应的是生产体系中的各类设备，如PLC、机械手、RFID读写器、传感器与摄像头等。

每个CPS节点通常需要具备CPS二元属性，且需要遵循CPS两项原则：

• 物理属性：具备与物理世界对接的能力，如传感，感知与控制等；

• 信息属性：涵盖一系列信息化手段，如数据管理，逻辑处理及网络通讯等；

• 去中心化原则：原则要求CPS中的每个节点作为独立的运行个体，独立的管理自身的硬件、数据、计算逻辑与网络通讯，而无需依赖于第三方系统；

• 可交互性原则：原则要求CPS节点必须以标准化及网络化的方式，实时、可靠、安全的与其他设备或系统进行通讯。

下表对CPS的一些应用场景进行描述

下表对一些不满足两项基本原则的设备进行阐述

物联网平台（Internet of Things Platform） 

CPS系统主要负责工业现场层面的具体任务，因此它无法满足企业管理层面的需求。在此背景下，工业4.0在CPS体系之上引入了物联网平台系统作为CPS系统的有效补充。

物联网平台系统在国内又称为两化融合系统，它是以监控、管理与业务为导向的信息化系统。该套系统主要具有以下特性：

• 集中监控：与生产中各环节（生产，库存，能耗等）底层设备进行通讯，并将它们的数据进行集中管理、实时监控和统一分析；

• 信息化及SOA：将晦涩的感知信号变为简单易懂的数据；将具体的控制指令转化为直观的操作方法；将零散的过程化数据汇总为有价值的业务信息；

• 大数据：作为工业大数据中的数据仓库层，负责将监控信息，生产追溯信息与业务信息进行存档与汇总，并对外提供历史查询服务及简单的数据分析服务。

• 标准而完整的服务：实时数据服务，历史查询与分析服务，事件与报警服务，事务与操作服务，会话与审计等；

• 高度可定制化：根据应用场景的不同，灵活的定制信息模型与业务模型。

物联网系统应用范围广泛，通常情况下，与现场设备相关的应用场景均可使用，以下是几个典型的应用场景：

工业4.0中的智能工厂

随着工业4.0概念的提出以及工业4.0技术的逐渐成熟，我们将看到越来越多有别于传统自动化工厂的应用模式。

在CPS体系中，执行设备+感知设备的组合模式将得到广泛应用：RFID+PLC，传感器+PLC等组合将使工厂的定制化生产成为可能；而RFID的普及将大幅提高库存管理的自动化程度，并增强生产环节的可追溯能力；

在物联网体系中，SCADA、MES、EMS和WMS系统间的界限与层级将越来越模糊：SCADA系统的功能将向上延伸（更丰富的业务处理能力及数据管理能力）；MES、EMS、WMS系统将向下扩展（具备更多与底层设备进行通讯的能力）；伴随着彼此之间的渗透与融合，工业物联网平台将逐渐形成，并凭借其标准而灵活的架构，方案可定制化程度高等优势，将传统系统取而代之。

关于工业4.0趋势的阐述并非虚无缥缈，因为它不但是西方学术界所共同总结出的最佳实践理论体系，而且也是业界领军者们根据自身利益与产品定位所达成的普遍共识。因此早在工业4.0概念推出之前，这些巨头们已经在着手进行相关的知识与技术储备，并于近几年内逐步推出自己的产品和解决方案。

当前，中国的生产模式依然处于较为粗放的阶段，与西方发达国家仍存在着较大的差距。作为后来者与跟随者，学习与效仿西方先进理念与技术无疑是缩小差距的最佳途径；因此笔者想通过本文，为大家介绍一个国内尚未被广泛认知，而西方工业领军者们已经开始广泛采纳的技术路线 - OPC UA。

OPC UA - 工业4.0技术路线图

OPC UA又称为OPC统一架构，它是一套集信息模型定义，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架构的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，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CPS系统和物联网系统，并能够满足以下几点需求：

对于CPS设备或物联网信息系统的开发者，OPC UA是一套符合OPC UA规范的实时数据中间件开发框架，其特点如下：

关于笔者本人

丁研：从事工业物联网研发多年的技术宅人，最近几年一直在使用OPC UA。近两年曾参与过OPC UA中国国标的起草与制定工作，目前是OPC基金会在华讲师。