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OPC UA- 工业 4.0 技术路线图 工业 4.0 工业 4.0 简介 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。 如何打造智能工厂 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 条码、射频、二维码等标示技术 应用于 仓储 管理、 智能配料 ，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作能力，从而使生产流程更加灵活； 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。 新一代信息技术是工业 4.0 的契机 网络：工业以太网确保了设备与设备，设备与系统，系统与系统之间的互联互通； 硬件：硬件架构的体系化与标准化对类 Linux 的操作系统形成有力的支撑，使智能硬件的开发环境与运行环境更接近于 PC ，从而方便实现复杂的数据处理与网络通讯功能；同时硬件性能的提升也使图像识别这种复杂算法变为可能； 软件 : 软件工程的体系化，软件人才的充裕，以及底层开发模块的开源与共享大大降低了工业软件的开发周期与成本，同时丰富了工业软件的功能。 工业 4.0 体系的复杂性 众多专业领域： 机械，电子，自动化， IT ，工程管理； 多样性应用技术： 信息技术，感知技术，控制器，人工智能 ，仓储物流。 工业 4.0 概念体系 物理信息系统（ Cyber-Physic System ） 工业物联网（ Industry Internet Of Things ） 互联网服务（ Internet Of Service ） 物理信息系统（ CPS ） CPS 概述 物理信息系统 Cyber-Physical System(CPS) 由一系列 具备 CPS 特性 的智能设备组成，它们通过工业以太网实现互联互通，相互协同，构成智能化的生产模式； 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 ； CPS 系统设备通常具备与其他设备进行横向协同的能力，同时能够与工厂信息系统进行无缝整合。 CPS 应用场景 CPS 二元属性与两项原则 二元属性： 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； 两项原则： 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。 不符合两项原则的设备 工业物联网系统（ IIOT ） 工业物联网概述 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、管理及业务为导向的信息化系统。 工业物联网应用场景 工业物联网特性 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。 标准而系统化的服务：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； 高度定制：能够根据应用场景的不同，灵活的定制信息模型与业务模型。 未来的智能工厂 CPS 系统 RFID+PLC ， 条码 +PLC 组合将使工厂的定制化生产成为可能； 条码 + 智能搬运车，智能货架 + 智能传送的组合将明显提高工厂物流的效率； RFID Reader+ 信息系统将 增强生产 各环节 的可追溯能力 。 物联网平台 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。 协同与合作 打造智慧工厂需要各类产品相互协作，才能形成一个整体的解决方案。因此设备与设备、系统与设备、系统与系统间的协同与交互变得至关重要，这也使 OPC UA 这一标准诞生最主要原因 OPC UA OPC UA 简介 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、硬件厂商和解决方案提供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 。 OPC UA 价值 - 系统集成者 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 。 OPC UA 价值 - 开发者 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 。 OPC UA 架构 OPC UA 网络架构 -C/S OPC UA 是一个 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 是由 OPC UA 框架 (OPC UA SDK) 二次开发生成的服务端程序，该程序即可以是 CPS 体系中的 CPS 设备： PLC, RFID Reader 或传感器，也可以是物联网体系中的应用平台： MES ， SCADA ， EMS, WMS 等。 UA Client 负责与 UA Server 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），物联网系统（与 CPS 设备进行通讯的 MES 或 SCADA ）或是 CPS 设备（与 RFID Reader 进行协同的 PLC ）。 OPC UA 框架 - 数据层 OPC UA 的数据层又称地址空间（ 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 用面向对象的思想进行设计，由于其数据组织方式灵活自由，因此能够对工业现场数据，业务数据，历史数据，事件，报警，事务和信息模型进行统一管理与描述。 OPC UA 框架 - 数据层 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 框架 - 数据层 安全通道：负责对 UA Client 与 UA Server 的通讯数据进行加密与解密； 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； 多传输方式：目前支持 TCP 通讯，将来会支持 UDP 通讯。 OPC UA 学习内容与程度 OPC UA 服务开发 - 嵌入式 物理交互层：用于与设备的物理层进行通讯，负责将上行物理信号转换为 OPC UA 格式，将下行数据转换为物理控制信号； 逻辑计算层：对采集数据及中间数据进行实时分析，对控制逻辑进行处理； 应用模型：根据现场设备特性所定义的设备模型及相应的逻辑计算模型。 OPC UA 服务开发 - 物联网系统 设备通讯层：与现场多个且不同种类的设备进行通讯，负责数据的采集，命令的下发，通讯链路的维护以及通讯协议的转换等； 业务处理层：将采集上来的信号变为简单易懂的数据；将所需执行的任务分解为具体的控制命令；将过程化的数据进行集中处理，形成有价值的业务导向信息； 应用模型：根据现场设备特性定义的设备模型，以及以服务为导向的业务管理模型； 配置管理：负责在地址空间中动态的创建设备通讯实例和业务处理实例； 历史管理：负责记录程序运行过程中的设备数据与业务数据，并对外提供查询服务。 OPC UA 生态系统 谢谢