OPC UA使IIoT的實(shí)施成為可能
2022-2-21新聞
By Isao Hirooka丨February 15, 2022丨Yokogawa
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01
OPC UA的概述
OPC UA已經(jīng)成為平穩(wěn)數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵技術(shù)。它比IIoT更早，因?yàn)樗窃?008年作為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的，建立在OPC Classic（DA、A&E和HDA）的成功之上。實(shí)施IIoT項(xiàng)目的公司正在轉(zhuǎn)向它，因?yàn)樗哂邪踩陀行У匕l(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的四個(gè)關(guān)鍵特性：
√ OPC UA管理機(jī)構(gòu)，即OPC基金會(huì)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證，以確保來(lái)自不同供應(yīng)商的設(shè)備互連時(shí)的互操作性。
√ OPC UA使用一個(gè)信息模型來(lái)輕松發(fā)送和接收多種設(shè)備的數(shù)據(jù)。
√ 它的通信方法有效地連接了使用一系列數(shù)據(jù)要求的設(shè)備，用于各種應(yīng)用。
√ 它應(yīng)用了從信息技術(shù)和操作技術(shù)環(huán)境中提取的不同的成熟的網(wǎng)絡(luò)安全工具，以確保高水平的安全。
一個(gè)公司在考慮實(shí)施OPC UA時(shí)應(yīng)該考慮什么？網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者應(yīng)如何將這四種能力用于工作？
測(cè)試和認(rèn)證方案
終端用戶公司不會(huì)在沒(méi)有保證的情況下采用OPC UA，他們不會(huì)被驅(qū)趕到任何特定的供應(yīng)商或被迫創(chuàng)建變通辦法來(lái)克服不兼容的問(wèn)題。被支持和認(rèn)證的設(shè)備，不管是哪家供應(yīng)商，都必須在開(kāi)箱后進(jìn)行互操作。
為了避免互操作性問(wèn)題，OPC基金會(huì)為其800多個(gè)成員制定了一個(gè)認(rèn)證和符合性計(jì)劃，以證明一個(gè)設(shè)備符合OPC規(guī)范，并且它也有足夠的質(zhì)量在實(shí)際操作中可靠地執(zhí)行。它保證經(jīng)過(guò)認(rèn)證的設(shè)備符合下面列出的符合性要求，從而最大限度地減少用戶在集成時(shí)的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)順利連接。認(rèn)證的測(cè)試必須在OPC測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，設(shè)備必須滿足以下條件：
● 符合OPC規(guī)范
● 與其他供應(yīng)商的OPC產(chǎn)品無(wú)問(wèn)題的互操作性
● 穩(wěn)健性和可靠性-足以從常見(jiàn)的通信異常中恢復(fù)過(guò)來(lái)
● 符合廣泛接受的最佳實(shí)踐的一般功能
● 有效和高效的資源管理（例如，CPU、內(nèi)存、可用的磁盤(pán)空間）。
當(dāng)一個(gè)設(shè)備通過(guò)了這一系列的測(cè)試，其制造商可以認(rèn)證它在OPC UA網(wǎng)絡(luò)中使用。
信 息 模 型
支持多廠商互操作性的一個(gè)關(guān)鍵因素是OPC UA對(duì)信息模型的使用（圖1）。因?yàn)樘囟ㄔO(shè)備的信息可以按照規(guī)定的格式在有意義的塊中處理，所以有可能監(jiān)測(cè)來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備之間的操作，而不需要復(fù)雜的工程。例如，如果不通過(guò)編程識(shí)別每塊數(shù)據(jù)，就不可能處理來(lái)自機(jī)器人或離心泵的數(shù)據(jù)。
支持多廠商互操作性的一個(gè)關(guān)鍵因素是OPC UA對(duì)信息模型的使用（圖1）。因?yàn)樘囟ㄔO(shè)備的信息可以按照規(guī)定的格式在有意義的塊中處理，所以有可能監(jiān)測(cè)來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備之間的操作，而不需要復(fù)雜的工程。例如，如果不通過(guò)編程識(shí)別每塊數(shù)據(jù)，就不可能處理來(lái)自機(jī)器人或離心泵的數(shù)據(jù)。
圖1：OPC UA信息模型使來(lái)自各種設(shè)備的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加一致，簡(jiǎn)化了通信。
配 套 信 息 模 型
OPC基金會(huì)有一個(gè)為特定行業(yè)和流程量身定做的信息模型的機(jī)制，稱為配套信息模型。OPC基金會(huì)這樣描述這些。
"新的信息模型可以在OPC UA數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建，并最終從OPC UA基礎(chǔ)信息模型衍生出來(lái)。這種信息模型的規(guī)范（"行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模型"，因?yàn)樗鼈兺ǔ＝鉀Q一個(gè)專門(mén)的行業(yè)問(wèn)題）被稱為同伴規(guī)范。OPC UA基礎(chǔ)設(shè)施交換這種行業(yè)信息模型的協(xié)同作用在語(yǔ)義層面上實(shí)現(xiàn)了互操作性"。
例如，有主控站和分布式控制系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化（MDIS）的信息模型，它支持海底油田。還有IEC 61850，它支持自動(dòng)化主機(jī)系統(tǒng)與電力控制的整合。也有用于多個(gè)控制系統(tǒng)之間通信的信息模型。創(chuàng)建新的同伴信息模型的指南和模板，以及已經(jīng)開(kāi)發(fā)的模型的規(guī)格，都公布在OPC基金會(huì)的網(wǎng)站上。當(dāng)一個(gè)特定的行業(yè)采用這些模型時(shí)，供應(yīng)商可以創(chuàng)建特定于這些行業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)。
通 信 格 式
OPC UA支持兩種通信方法：最初的客戶端-服務(wù)器方法，以及最近的發(fā)布-訂閱（PubSub）方法。客戶端-服務(wù)器方法從OPC Classic的第一個(gè)版本開(kāi)始就被使用。在這里，數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)設(shè)備建立通信后進(jìn)行交換。如果有一個(gè)通信問(wèn)題，可以通過(guò)重新發(fā)送傳輸或發(fā)出警報(bào)來(lái)減少影響。相應(yīng)地，過(guò)程數(shù)據(jù)、警報(bào)和其他信息可以無(wú)損失地保存，使這些信息適合于后續(xù)分析。
相反，PubSub是一種一對(duì)多的通信方法。一個(gè)發(fā)布者設(shè)備將其數(shù)據(jù)廣播給網(wǎng)絡(luò)上未指定數(shù)量的用戶，而目標(biāo)用戶只獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)部分。發(fā)布者只發(fā)送，訂閱者只接收，所以如果通信失敗，不需要重新發(fā)送或其他行動(dòng)。訂閱者總是用他們收到的最新數(shù)據(jù)工作。
相反，PubSub是一種一對(duì)多的通信方法。一個(gè)發(fā)布者設(shè)備將其數(shù)據(jù)廣播給網(wǎng)絡(luò)上未指定數(shù)量的用戶，而目標(biāo)用戶只獲得數(shù)據(jù)的相關(guān)部分。發(fā)布者只發(fā)送，訂閱者只接收，所以如果通信失敗，不需要重新發(fā)送或其他行動(dòng)。訂閱者總是用他們收到的最新數(shù)據(jù)工作。
網(wǎng)絡(luò)安全
OPC UA結(jié)合了成熟的IT安全技術(shù)，用于IT和控制設(shè)備相關(guān)的通信。OPC UA規(guī)范定義了其在設(shè)備間通信的安全概念：
● 保密性：加密
● 完整性：簽名
● 可用性：拒絕服務(wù)措施
● 認(rèn)證： 電子簽名
● 授權(quán)： 訪問(wèn)權(quán)限
● 會(huì)計(jì)： 審計(jì)跟蹤歷史
OPC UA覆蓋了從控制設(shè)備到信息和核心系統(tǒng)的廣泛領(lǐng)域，它使用多種方法，因?yàn)槊總€(gè)目標(biāo)的安全要求是不同的。這樣一來(lái)，OPC UA可以靈活地響應(yīng)，堅(jiān)持哪種要求就是哪種要求。例如，一個(gè)特定的情況是否需要加密、簽名或其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)？這些都可以在設(shè)備的基礎(chǔ)上選擇，如果使用，也可以調(diào)整特定工具的強(qiáng)度。
協(xié)作信息服務(wù)器
Collaborative information server
到目前為止，我們專注于OPC UA本身，但現(xiàn)在我們將看看它如何在工廠或公司范圍內(nèi)使用協(xié)作信息服務(wù)器（CI服務(wù)器）實(shí)施。CI服務(wù)器被設(shè)計(jì)為支持一個(gè)環(huán)境，在這個(gè)環(huán)境中，從多個(gè)站點(diǎn)和工廠的各種設(shè)備、系統(tǒng)和裝置獲得的信息和數(shù)據(jù)可以很容易地集成（圖2）。OPC UA是CI服務(wù)器的主要通信協(xié)議之一，它支持客戶端-服務(wù)器和PubSub通信方法。它還提供了一種構(gòu)建信息模型的方法。
圖2：一個(gè)CI服務(wù)器必須與大量的平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信才能有效。OPC UA使這成為可能。
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未來(lái)發(fā)展
OPC UA是實(shí)施第四次工業(yè)革命和實(shí)現(xiàn)其全部潛力的一項(xiàng)重要技術(shù)。它在這方面已經(jīng)獲得了成功，因?yàn)樗Y(jié)合了許多方法來(lái)促進(jìn)和保障不同應(yīng)用和不同供應(yīng)商的設(shè)備和控制器之間的數(shù)據(jù)通信。
所有數(shù)字由橫河公司提供，本專題最初發(fā)表于《InTech》雜志2022年2月版。
