“需要建立一種除實時控制和功能安全控制仍然安排在現場層之外，其他所有的通信服務都是扁平化的通信結構。”
傳統的網絡結構秉承工業自動化的分層遞階架構（如圖1所示），基本上是多級的分層遞階系統，採用以太網交換器構成樹形結構。這種靜態結構的設計能滿足客戶端-服務器計算方式佔主要地位的應用，但面對今天企業對信息的處理和存貯要求變成動態的時候，特別是在工業物聯網和大數據迅速發展的強烈趨勢下，這種網絡結構就完全不適應了。
顯而易見，實現工業4.0、智慧工廠和智能製造，必須建立在業務應用扁平化的基礎上，即控制級、流程控制級、生產管理級和企業管理級的各類應用，必須根據要求直接而且實時動態地建立鏈接（如圖2所示）。這就需要建立一類包括實時控制和及時監控在內的、強有力的聯網技術和規範的基礎。這類聯網技術和規範可以在一定程度上繼承原有的聯網技術和規範，但更重要的是一定要突破原有技術和規範的侷限和明顯不能滿足實現工業4.0、智慧工廠和智能製造的架構和思維。
圖1 工業自動化的分層遞階架構
圖2 智能製造系統需要分散型的通信服務
新的網絡結構必須具有以下特點：流量控制方式必須是動態的；信息技術必須是“客製化”的，按用戶要求配置智能提升雲服務的能力；應對大數據的挑戰，意味著網絡需要更多的帶寬。
按照智慧製造系統的功能要求，智能功能可以劃分為分散智能和集中智能兩類（如圖3所示）。這兩類智能對通信的要求是不同的。從時間響應看：
·分散智能：在1微秒至幾個毫秒；
·集中智能：在幾個毫秒至10秒。
從應用場合上看：
·分散智能：現場、控制、機械裝備；
·集中智能：機械裝備、工段或生產線、工廠……
也即，分散智能要求實時通信，需要保證功能安全和信息安全，主要應用於狀態監控和實時控制；集中智能要求信息安全，採用OPCUA，集中智能主要應用於性能優化、大數據分析……
1 PLCopen和OPCUA的合作解決方案
OPC UA提供一個通用、開放、獨立於硬件和軟件、跨操作系統、跨產業、具有信息安全功能的可靠通信網絡。可以監控可組態的通信超時和鏈接中斷，也可進行加密通信。為此，它採用了可根據應用要求進行網絡規模剪裁的客戶端／服務器架構。客戶端發起數據請求，服務器端響應，並通過一個信息安全的通道傳輸數據（如圖4所示）。
圖3 分散智能和集中智能
圖4 OPC UA提供客戶端/服務端的通信架構
經過多年來不懈地在工業界推廣OPC UA，特別是智能製造、工業4.0對通信的要求顛覆了以往的工業通信體系，OPCUA的獨特優勢使它脫穎而出，得到了廣泛的發展和支持。在技術市場上出現了方便其開發運用的軟件包（如德國倫茨公司採用德國Softing公司的OPC工具包，把原有的OPC經典方法和OPCUA融合起來）。微軟公司也在今年公佈了.NET標準棧支持OPC UA，以擴展其滿足工業物聯網IIoT需求的信息安全特性，以及滿足“工業4.0平臺”的要求。在.NET標準棧中集聚OPCUA的眾多優點，如跨平臺的應用、一次開發API到處可用的可移植策略等。這樣新的.NET標準棧在微軟公司的開發和優化下，成為一個完整的支持有嵌入式應用到雲端應用的獨立的基礎架構平臺。在2017年的漢諾威工業博覽會上宣佈了OPCUA技術的開源實現，運用開源軟件和私有軟件的託管平臺GitHub，成功實現了OPC UA技術跨所有市場和平臺的應用。
值得注意的是，為了使OPCUA能夠滿足M2M的實時通信，近年來正在把廣泛應用於現場總線和工業以太網實時通信的發佈方/訂閱方的架構引入。同時也在開發符合IEEE時間敏感網絡TSN規範的OPCUA TSN。這是OPC基金會計劃用OPC UA取代工業以太網的又一舉措。
隨著OPC UA越來越普遍的運用，它在現代跨工業行業和工業裝備間進行通信的極端重要性得到充分肯定。因而它的信息安全也引起了權威機構的關注。最近德國聯邦信息安全辦公室BSI公佈了OPCUA的信息安全深度分析報告，指出它在軟件功能上注重信息安全的設計，不存在系統性的信息安全漏洞。圖5所示為OPC UA的信息安全架構。
圖5 OPC UA的信息安全架構
2 建立開放標準的通信生態系統
多年來PLCopen一直堅持與開放標準化組織合作建立一種開放標準的生態系統。譬如與OPC基金會合作開發IEC61131-3的信息模型（2010.5發佈），IEC 61131-3的OPC UA Client FB客戶端功能塊規範（2015.3發佈），IEC61131-3的OPC UA Server FB服務端功能塊規範（2015.3發佈）。其實在正式發佈這些規範之前，類似的方法和技術已經成功應用於包裝行業建立PackML系列規範（由美國ISA學會屬下的OMAC專業委員會開發），大大簡化了包裝機械與上位生產管理系統的通信。
ISA 95是由美國ISA學會開發的企業信息集成系列標準，現在已被IEC和ISO接受為國際標準（IEC/ISO62264）。而B2MML是這個系列標準的XML實現。B2MML包括一系列用W3C的XML語言XML格式規範。美國的ISA學會又與OPC基金會合作開發基於B2MML接口標準的OPCUA/ISA 95夥伴規範。這樣就可以解決過去控制工程師使用OPC UA對象進行控制層、MES層和ERP層之間的通信碰到的難題。譬如在處理關鍵數據的存取時，如何在製造運營管理（MOM）系統的高速要求與企業信息系統的慢速而又隨機存取的要求之間構築一種順暢通達的橋樑，成為可能並可行。
智能製造和工業4.0的要求集成進入工程工具和語義的擴展，OPCUA的解決方案是：OPC基金會已經與像PLCopen、BACnet、FDI這樣的組織成功進行了合作。現在又擴展了與其它組織的合作，如ISA95、MES－DACH、MDIS（石油天然氣工業組織）。一個新的合作已經啟動，通過與AutomationML的合作，有助於在工程平臺工具上優化其可互操作性。
圖6 運用OPCUA構築智能製造的扁平化通信
如圖6所示，運用PLCopen的OPCUA功能塊，使由傳智能感器、控制器與企業管理系統和生產調度執行系統之間的通信，與雲端的通信，與互聯網通信在可互操作性方面大為簡化和改善。這些標準提升瞭如今廣泛運用於計算技術行業的SOA面向服務的架構的應用範圍；同時也推進了一度落後於計算技術和軟件的自動化系統技術，快速跟上IT技術的進展。
3 實現OPCUA通信的模塊化路徑和方法
PLCopen國際組織與OPCUA基金會合作開發的面向IEC 61131-3的系列OPC UA通信功能塊規範，為實現上述的各類通信提供了模塊化軟件工具的基礎。規範中定義了許多像UA_Connect、UA_Read、UA_Write、UA_ReadList、UA_WriteList或UA_MethodCall的功能塊，在執行通信操作時只要按照一定的順序調用這些功能塊，在通信操作結束後再清除或關閉。如果我們需要將數據從PLC讀入MES/HMI，或者通過功能塊將數據從PLC送入雲端，都可以如圖7所示調用OPCUA模塊實施通信的過程。即準通信備：連接調用UA_Connect、指定連接地址調用UA_NamespaceGetIndexList、進行接通處理調用UA_NodeGetHandleList；通信處理：按照讀寫的要求多次調用UA_ReadList/UA_WriteList；通信結束：結束處理調用UA_NodeReleaseHandleList、最後斷開連接調用UA_Disconnect。
圖7 調用UA功能塊執行通信的順序
如果要執行監控通信，可以執行如圖8所示的順序。
圖8 用OPC UA功能塊執行監控通信的順序
執行監控通信的順序如下：建立連接，前面的3個功能塊與圖7的建立連接相同，但要加一個訂閱建立功能塊調用UA_SubscriptionCreate；監控處理：調用監控功能塊UA_MonitoredItemOperateList或UA_SubscriptionProcessed，如需增加監控參數，可以調用UA_MonitoredItemAddList，結束監控過程先調用去除監控功能塊UA_MonitoreItemRemoveList；接著進入清除監控：刪除訂閱調用功能塊UA_SubscriptionDelet，釋放相關節點列表調用功能塊UA_NodeReleaseHandleList，最後斷開連接。
運用OPCUA塊實施瀏覽，可以按照圖9的順序進行相關功能塊調用。
圖9 實施瀏覽通信的OPC UA功能塊順序
4 全新的網絡規範—軟件定義聯網
為了適應智能製造和智慧工廠的需求，當前工業網絡正面臨由現場總線向工業以太網轉型、由單一功能的通信總線向多功能通信演進、由缺乏網絡管理向智能網管發展的趨勢。
看起來能夠綜合各方面要求的解決方案，非軟件定義工業網絡莫屬。也即，利用軟件定義網絡的基本理念和實施規範來開發軟件定義工業網絡，是工業網絡技術的創新突破的方向。
為了改善網絡的管理和自動化，需要建立一種全新的、具有以下屬性的網絡結構：
·對多個供應商提供的網絡設備進行集中管理和控制；
·網絡大小規模便於各種應用剪裁，與供應商無關；
·用一種公共的API應用程序編程接口，對底層聯網的細節從其精心的設計安排中抽象出來，提供給系統和應用；
·通過提供新的網絡性能和服務達到創新，而無需對單個網絡設備進行組態，或等待供應商的改進。
為建立這種新網絡結構，開放聯網基金會ONF（OpenNetworking Foundation），提出軟件定義聯網SDN（Software-Defined Networking），併發布了控制數據層接口的規範OpenFlow，實現了將聯網設備與網絡服務解耦（如圖10所示）。
圖10 軟件定義聯網的網絡架構
美國CISCO正在發展的一種軟件定義工業網絡的架構（如圖11所示），圖中SDN控制器中的標準工程服務通過OnePK、OpenFlow、CLI或SNMP等中間件轉換為右下部的各種IT資產的運行數據；SDN控制器中的OT服務通過各種工業通信網絡（如CIP、Ethernet/IP和Profinet）與圖中右中部的各種OT資產相連接；圖中右上部的OT網絡管理中心與SDN控制器中的OT應用程序的鏈接，則是通過CIP、RESTFULAPI等進行。
在SDN中，運用被稱之為表達狀態轉移（RepresentationState Transfer）的互聯網技術RESTFUL API，作為支持系統和應用之間標準接口的架構。這樣便可允許控制設備的供應商獨立編寫應用程序，同時又能在SDN中協調運行。控制工程師則可以運用這個軟件來定義其控制應用（甚至把也包括定義網絡通信的端口）。
說的更清楚一些，也即在軟件定義聯網的設計中，控制工程師可以像在編制PLC程序時控制某臺驅動器運行或停止，併發出以什麼速度運轉的指令那樣，讓SDN控制器發出信息指示交換器和路由器的那個端口開啟、數據如何流動等。
圖11 CISCO開發的軟件定義工業聯網架構
SDN控制器控制應用程序的基本原理如下：以太網交換器內裝有SDN應用程序接口（API），這樣SDN控制器就能夠通過數據來控制應用程序（譬如SDN控制器發送對PLC和其它工業設備運行的組態數據，讓以太網交換器打開PLCI/O數據通往數據面板端口）。當然，也可以通過SDN控制器發送相關數據，讓兩個端口之間提供反饋信息，為網絡和相互連接的各種設備建立一種控制迴路的潛在機會。圖12中SDN控制器通過北API向PLC組態平臺發佈命令，讓它經由工業通信協議把PLC的I/O數據通過工業通信網往發往數據面板。與此同時，SDN控制器還經過南API通知以太網交換器打開相應端口。
圖12 用SDN控制器的應用程序控制網絡節點間的通信
5結語
傳統網絡結構的侷限和缺陷阻礙智能製造、智慧工廠和工業4.0的實施。
需要建立一種除實時控制和功能安全控制仍然安排在現場層之外，其他所有的通信服務都是扁平化的通信結構。在選擇滿足這樣的網絡結構的解決方案時，首先要考慮的是保留和利用近十幾、二十年來企業和工廠的通信資產和軟件資產。從現有的發展狀況來看，軟件定義工業聯網SDN和OPCUA這兩種解決方案是較為理想的。軟件定義聯網特別適合把企業和工廠的IT數據中心和OT數據中心融合為OT/IT的運營管理系統。但根據目前技術發展的成熟度來看，軟件定義工業網絡的開發進展和規模，遠遠不及OPCUA。OPC UA應該是近期已獲得足夠實踐效果，長期也能廣泛運用的通信技術。在今後工業通信方向上基於IP的通信絕對是佔主要地位，因此OPC UA優勢明顯。特別是在垂直集成方面，由於OPC基金會與各種工業行業組織的合作十分有效，其不同層次間的語義可互操作性的發展潛力可期。不過，傳統的現場總線和工業以太網在現場實時控制和功能安全控制的作用是不可替代的。完全可以運用OPCUA和軟件定義工業聯網SDN來擴展其滿足智慧製造、工業4.0所要求的通信功能。閱讀更多 自動化與儀器儀表 的文章
