圖1給出用于工業(yè)4.0通信的OPC UA工具箱,，包括以下各列（自左至右）：傳輸、信息安全,、信息存取,、伙伴規(guī)范和擴展信息模型。眾所周知,，OPC UA是一種面向服務的架構SOA,，為機械數(shù)據(jù)（諸如設備描述、測量數(shù)值,、參數(shù)和控制變量）信息交換的標準化構建了合乎工業(yè)要求的平臺,。這里再一次強調指出，在工業(yè)4.0的環(huán)境下運用OPC UA,，目的不是要取代機械裝置內(nèi)業(yè)已普遍使用的確定性通信的手段,，而是為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機械設備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通信方式,。

圖1：用于工業(yè)4.0通信的OPC UA工具箱

作為OPC UA工具箱中的各個要素,，傳輸層實現(xiàn)采用不同通信協(xié)議和通信類型的信息存取，但這些不同的通信協(xié)議和通信類型必須有一個共同的基礎，即采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）,。因此OPC UA要求網(wǎng)絡的基礎架構一定要賦有IP通信的能力,。OPC UA兼容IPV4和IPV6.當前OPC UA基于客戶端－服務器（C/S）和發(fā)布－訂閱（pub／sub）通信機制，如圖2所示,。OPC UA的應用程序可同時并行地使用這兩種通信機制,。一個OPC UA的應用程序在同一時刻，既可以作為服務器,、客戶端,，也可以作為發(fā)布端和訂閱端。其發(fā)現(xiàn)的功能性使它能發(fā)現(xiàn)OPC UA服務器及其功能性,。未來它將支持運用時間敏感聯(lián)網(wǎng)TSN技術的確定性通信,。

客戶端－服務器通信直接實現(xiàn)客戶端和服務器之間的數(shù)據(jù)交換，消息的接收是被確認的,。發(fā)布端－訂閱端通信類型適合于間接的數(shù)據(jù)交換,，發(fā)送者和接收者無需彼此知曉，也無需同時被激活,。它適合于大量的傳感器與一個接收器相通信的場景（例如云端的狀態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化服務）,，或一個發(fā)送端和多個接收端的場景。一臺注塑機可以同時向公司的多個不同的服務器（如可視化,、MES或節(jié)能系統(tǒng)）發(fā)送其材料用量和能源使用量的測量值,，就是后面那種應用場景。

圖2：OPC UA的通信機制

信息安全是OPC UA的一個關鍵要素,，是一種必須在構建軟件平臺的早期就必須認真考慮的問題,。信息安全的機制必須覆蓋傳輸層、信息存取和發(fā)現(xiàn)機制等多個方面,。信息安全機制要求對通信參與者的身份和存取權進行管理,。為加強和改善身份識別，身份管理賦予對OPC UA應用程序進行授權的能力,。身份管理既可以對每一個OPC UA應用程序進行管理,，又可采用全公司的公共密鑰基礎架構（PKI）進行管理。PKI可以對身份進行發(fā)布,、分配和測試,。

信息存取包括調用讀寫變量的類函數(shù)和觀察事件。

伙伴規(guī)范和擴展信息模型----信息模型表述由節(jié)點構成的網(wǎng)絡以及這些節(jié)點的關系,。而節(jié)點可以用來表達具有不同特性的復雜對象,，譬如設備、機械裝置,、成套裝置,。在OPC UA中對象可以容納變量,、類函數(shù)和事件。OPC UA信息模型可以表述任意的分層檢索,，此外,，還可表述類型和節(jié)點的實例。對節(jié)點加以標準化時可帶有類型,，這樣就能夠進行信息存取,，而與特定節(jié)點的實例無關。例如一種注塑機的類型包括注塑機所有的通用變量,、類函數(shù)和事件,。類型和類型的實例都是信息模型的一部分。由此OPC UA的應用程序就具有了在無需事先知曉的情況下理解復雜節(jié)點的能力,。如果由兩個廠商制造了同一類型的機械設備,，這兩種實現(xiàn)代表了兩種實例,。統(tǒng)一的信息存取通過兩個廠家的同一類型完成,。沒有必要對特定廠家的信息進行存取。這就允許應用程序的開發(fā)可以獨立進行,，而無需顧及設備,、機械和系統(tǒng)。例如一臺注塑機可以用包括一個類函數(shù)“啟動任務”,、一個變量“當前的功耗”和事件“溫度已達到”等信息來描述,。

圖3：OPC UA按邏輯分層

圖3將圖1所示的OPC UA工具箱的要素映射到OPC UA規(guī)范的邏輯分層。通過信息存取使得信息模型可被使用,。而OPC UA的應用程序可按通信要求讓信息模型作為服務器或發(fā)布端,，以及用作客戶端或訂閱端。傳輸層描述信息存取層的技術關系,，發(fā)現(xiàn)層則描述將OPC UA服務器列表的可能性,。一般在諸如現(xiàn)場設備、控制器,、臺式計算機或IT服務器等設備中,，采用OPC UA服務器作為信息的發(fā)送源。在圖3中列出三種OPC UA的信息模型：設備的信息模型,、伙伴規(guī)范和擴展信息模型,。設備的信息模型及其集成（即設備集成）構成伙伴規(guī)范和擴展信息模型的基礎。它包括設備模型（性能和功能性）,、通信模型（通信的拓撲結構）和集成模型（設備集成的規(guī)則）,。表1列出有關工業(yè)自動化方面的若干伙伴規(guī)范。

在一個企業(yè)中,，基于OPC UA的工業(yè)4.0的通信可以分成四個階段逐步實現(xiàn)（見圖4）：

圖4：中小企業(yè)采用OPC UA升級的四個階段

第一階段  基于OPC UA的工業(yè)4.0的通信其基本前提是網(wǎng)絡運行要建立在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol,，IP）的基礎上,。如果已經(jīng)有了這個基于IP的網(wǎng)絡，那么OPC UA就可作為來自不同制造廠生產(chǎn)的機械的信息存取的統(tǒng)一接口,。在第一階段中機械的相關參數(shù)或系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)可用手動的方法集成到狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中,。相比采用多種不同的通信解決方案，這一方法已經(jīng)顯現(xiàn)出其優(yōu)越性,。

第二階段  通過采用標準化的信息模型（即所謂OPC UA的伙伴規(guī)范）可以取得用例（use case）的即插即用,。由不同供應商制造的機械和成套設備，其核心的功能性都在細分行業(yè)制定的伙伴規(guī)范中予以同等的模型化,，調用這些被模型化的功能就能夠對這些機械完成統(tǒng)一的集成和使用,。越來越多的操作人員要求這種可互操作性，例如來自塑料機械和橡膠機械行業(yè)和來自通過RFID自動識別的細分行業(yè),。在德國,，一些零部件制造商、機械和成套設備制造廠商已經(jīng)開始邁向工業(yè)4.0的通信,。第一個成果是伙伴規(guī)范EUROMAP77,，規(guī)范定義了塑料機械和橡膠機械的統(tǒng)一信息模型。該規(guī)范可以用來支持和幫助較小規(guī)模的公司理解信息模型所帶來的好處,。同時也為其它行業(yè)開發(fā)伙伴規(guī)范提供了一個合適的范例,。

第三階段   運用擴展的信息模型將所在企業(yè)獨特的訣竅和需要保密的非標準功能性容納在其中，為體現(xiàn)企業(yè)知識產(chǎn)權在性能和效益方面的優(yōu)越提供方便,。企業(yè)這方面的專有技術（例如機械裝備的優(yōu)化功能）將受到OPC UA基于規(guī)則的授權的精確保護,。      

第四階段  資產(chǎn)管理殼AAS是作為工業(yè)4.0資產(chǎn)的基本單元及其虛擬表達。各個資產(chǎn)管理殼通過工業(yè)4.0的通信彼此進行相互作用,?？梢栽贠PC UA以及伙伴規(guī)范和擴展信息模型的基礎上實現(xiàn)AAS，這就是工業(yè)4.0通信的升級遷移的第四階段,。AAS的核心概念以資產(chǎn)的性能為中心,，這些性能可被理解為標準的詞匯，利用這些性能不僅可以把信息模型（伙伴規(guī)范）中特定細分行業(yè)的關系予以標準化,，還可涉及用在信息模型和工業(yè)4.0基本單元中的單獨的術語,。按照國際注冊數(shù)據(jù)識別碼（IRDI）規(guī)定的識別碼對性能進行識別，因而使性能與不同的語言和細分行業(yè)的專用名稱無關,，不會因為語言和名稱的差異而產(chǎn)生混淆,。AAS運用IEC 61360國際標準對性能加以標準化。

在升級的第一階段首先解決信息的存取問題,，采用OPC UA作為信息存取的統(tǒng)一通信接口,。其前提是創(chuàng)建基于IP的網(wǎng)絡，例如以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡（WIFI或5G）并完成配置組態(tài),。網(wǎng)絡的創(chuàng)建必須一次完成,，不宜分期創(chuàng)建。接下去將各種來自機械設備和成套裝置的變量采用手動的辦法訂閱,。譬如先實現(xiàn)基于這些變量的狀態(tài)監(jiān)控的場景,，這既可以降低停機時間，讓用戶看到明顯的利益,，又在這個過程中滿足了OPC UA的基本要求,，配置了OPC UA工具箱的相關模塊。

本地發(fā)現(xiàn)服務器（local discovery server, LDS）用來發(fā)現(xiàn)新擴展的在一臺機械裝置或成套設備上的OPC UA服務器,。對此,，LDS不要求進行附加的組態(tài),。而OPC UA客戶端（如來自MES或其它的機械裝置）可以用LDV來發(fā)現(xiàn)可用的OPC UA服務器和發(fā)現(xiàn)可供使用的信息安全選項,。在這些信息的基礎上，OPC UA客戶端建立了與這些OPC UA服務器的連接,。

接著要做的是全公司范圍的身份管理,，即身份授權。對每一個項目都必須針對IT信息安全對存取權進行組態(tài),，對身份進行管理,。對每一個OPC UA應用程序的授權都需要驗證識別。為了建立各個OPC UA應用程序之間的安全連接,，這些應用程序必須相互證明其可信,。第一步先用手動的方式建立身份授權，然后進行全公司級別的身份授權管理,。

至此,，各個OPC UA應用程序的通信便可以通過OPC UA的SOA安全地進行，用戶可以瀏覽之前導入的基本模型,、讀寫變量,、調用類函數(shù)和訂閱事件。系統(tǒng)（譬如ERP,、MES和PLC）之間的通信可以采用手動組態(tài),，例如把某個由PLC處理的能源測量值定期地發(fā)往MES,。

一般而言伙伴規(guī)范總是建立在設備或設備集成的信息模型之上,。信息模型描述設備的通用特性和功能性,，及其可能操作的拓撲結構?；锇橐?guī)范定義細分行業(yè)的設備及其應用,，例如現(xiàn)場設備、PLC或某類機械裝置,。運用伙伴規(guī)范會提高可互操作性,，并使用例做到即插即投入使用。在調試或改裝時,，系統(tǒng)集成和自動化公司目前都是要手動調試控制程序,，這些調試一般都根據(jù)手冊和非正式的記錄信息數(shù)據(jù)表，對于不同的制造廠商這些手冊和數(shù)據(jù)表各不相同,。今后如果機械制造廠和成套設備廠都運用伙伴規(guī)范,，那么就具備了對這些廠進行信息交換的存取能力。由于都是標準化的信息可資利用,，要將一臺新的機械集成到一個成套設備中去很容易,，再也沒有廠與廠之間的差異。這樣要把部件,、機械,、成套設備集成到MES系統(tǒng)，就很方便,。如果已經(jīng)有了某個細分行業(yè)現(xiàn)成的伙伴規(guī)范,，一定要使用；如果沒有現(xiàn)成的伙伴規(guī)范,，也可以建立一個新的信息模型,，然后以伙伴規(guī)范的形式予以標準化。在德國機械制造商協(xié)會VDMA承擔其為會員單位開發(fā)與OPC基金會合作的伙伴規(guī)范的工作,。

表2給出OPC基金會有關OPC UA服務器的行規(guī),，根據(jù)設備的大小分別有納型嵌入式（Nano Embedded）  、微型嵌入式和嵌入式服務器行規(guī)和標準服務器行規(guī),，功能性也有相當大的差別,，因而對實現(xiàn)的硬件資源要求（如計算能力、內(nèi)存等）也有很大差異,。順便指出,，在OPC的概念中，OPC服務器是指提供數(shù)據(jù)的設備,，OPC客戶端是指使用數(shù)據(jù)的設備,。

第三階段引入擴展伙伴規(guī)范,，是為了在標準化信息模型和獨立于制造廠的信息基本集合的基礎上，體現(xiàn)不同制造廠的差異化的特性,。例如有些機械設備可以提供基于制造廠的經(jīng)驗和專有技術的節(jié)能優(yōu)化或者循環(huán)時間優(yōu)化的功能,，這些功能并沒有標準化，那么便可以通過建立擴展信息模型以明確的方式提供,。而OPC UA的信息模型對非授權的存取具有良好的保護,。

這里順便指出，OPC UA服務器可以容納多個信息模型,，標準信息模型和擴展信息模型可同時存在于一個OPC UA的應用程序中,。

OPC UA滿足工業(yè)4.0通信的要求。由圖5可知,，基于OPC UA的工業(yè)4.0通信可以用在工業(yè)4.0參考架構模型RAMI4.0的分層遞階維度中所有層級的通信,。OPC UA可以實現(xiàn)從最小的傳感器到跨企業(yè)各層級的通信。在RAMI4.0的另一維度,，基于OPC UA的SOA信息存取運用于通信層,，而伙伴規(guī)范和擴展信息模型屬于信息層的范疇。OPC UA也適合用于工業(yè)4.0基本單元的通信,，以及連接設備（資產(chǎn)）與資產(chǎn)管理殼AAS,。這后面一種情況則體現(xiàn)在集成層。

圖5：OPC UA在RAMI4.0中的位置

從目前的推進形勢觀察,，符合工業(yè)4.0要求的通信要獲得全面成熟的應用,，或許還要十年左右的時間。這不僅僅是因為許多相關的技術還處于開發(fā),、試驗階段,，因為許多標準尚待開發(fā)制定和國際化,，還因為涉及各主要工業(yè)國家和新興工業(yè)國家相關法律的制定和通信運營商之間的協(xié)商,。工業(yè)4.0所要求的通信畢竟是前所未有的通信集成，牽涉到萬物（包括軟件和硬件）和企業(yè),、人員的互聯(lián),。當然還有政治因素，全球化和反全球化的斗爭目前大有愈演愈烈之勢,，可能對此也會產(chǎn)生難以預料的影響,。