摘要： 工業4.0已成為近兩年科技領域及財經領域的熱門詞匯，它是德國人根據自身的工業基礎、生產經驗以及已有的科技手段所總結出的一套最佳實踐（Best - Practice）理論體系。

工業4.0

工業4.0已成為近兩年科技領域及財經領域的熱門詞匯，它是德國人根據自身的工業基礎、生產經驗以及已有的科技手段所總結出的一套最佳實踐（Best - Practice）理論體系。

工業4.0概念源于德國聯邦教育部與聯邦經濟技術部的一份報告，該報告中提出了一種嶄新的“智能制造”模式，從而更加有效的整合生產過程中的資源，并更加快速的適應來自市場的生產需求。

在提出工業4.0概念的同時，報告中也對構建智能工廠的方法進行了闡述：

• 通過信息化技術與自動化技術的結合，構建深度整合的數字化工廠；

• 將射頻技術應用于物料管理、配件裝載，生產追溯等環節，形成智能化的物流與生產周期管理體系；

• 通過設備間的互聯，提高設備間的相互協同能力，從而使生產模塊間的搭配方式更靈活、更自由；

• 利用機器視覺，人工智能等技術，使機器人與設備具備更加智能化的功能；

• 通過對能源與物料消耗情況的監測與分析，得出節能降耗方案，打造綠色工廠。

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構建智能工廠是一項復雜的工程，它不但涉及到眾多專業領域（機械，電子，自動化，IT），同時涵蓋了多種應用技術（信息技術，感知技術，控制器，人工智能等）。

由于該系統的復雜性，業界在很長一段時間內都無法對其進行系統化的定義，而工業4.0的出現則通過對生產體系中要素的剖析以及對共性的總結，提出了一套完整而標準的概念體系：物理信息系統與物聯網平臺。

物理信息系統（Cyber - Physical System）

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物理信息系統Cyber - Physical System（CPS）由一系列符合CPS特性與原則的CPS節點（CPS Node）組成。在具體的應用中，CPS節點對應的是生產體系中的各類設備，如PLC、機械手、RFID讀寫器、傳感器與攝像頭等。

每個CPS節點通常需要具備CPS二元屬性，且需要遵循CPS兩項原則：

• 物理屬性：具備與物理世界對接的能力，如傳感，感知與控制等；

• 信息屬性：涵蓋一系列信息化手段，如數據管理，邏輯處理及網絡通訊等；

• 去中心化原則：原則要求CPS中的每個節點作為獨立的運行個體，獨立的管理自身的硬件、數據、計算邏輯與網絡通訊，而無需依賴于第三方系統；

• 可交互性原則：原則要求CPS節點必須以標準化及網絡化的方式，實時、可靠、安全的與其他設備或系統進行通訊。

下表對CPS的一些應用場景進行描述

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下表對一些不滿足兩項基本原則的設備進行闡述

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物聯網平臺（Internet of Things Platform）?

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CPS系統主要負責工業現場層面的具體任務，因此它無法滿足企業管理層面的需求。在此背景下，工業4.0在CPS體系之上引入了物聯網平臺系統作為CPS系統的有效補充。

物聯網平臺系統在國內又稱為兩化融合系統，它是以監控、管理與業務為導向的信息化系統。該套系統主要具有以下特性：

• 集中監控：與生產中各環節（生產，庫存，能耗等）底層設備進行通訊，并將它們的數據進行集中管理、實時監控和統一分析；

• 信息化及SOA：將晦澀的感知信號變為簡單易懂的數據；將具體的控制指令轉化為直觀的操作方法；將零散的過程化數據匯總為有價值的業務信息；

• 大數據：作為工業大數據中的數據倉庫層，負責將監控信息，生產追溯信息與業務信息進行存檔與匯總，并對外提供歷史查詢服務及簡單的數據分析服務。

• 標準而完整的服務：實時數據服務，歷史查詢與分析服務，事件與報警服務，事務與操作服務，會話與審計等；

• 高度可定制化：根據應用場景的不同，靈活的定制信息模型與業務模型。

物聯網系統應用范圍廣泛，通常情況下，與現場設備相關的應用場景均可使用，以下是幾個典型的應用場景：

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工業4.0中的智能工廠

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隨著工業4.0概念的提出以及工業4.0技術的逐漸成熟，我們將看到越來越多有別于傳統自動化工廠的應用模式。

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在CPS體系中，執行設備+感知設備的組合模式將得到廣泛應用：RFID+PLC，傳感器+PLC等組合將使工廠的定制化生產成為可能；而RFID的普及將大幅提高庫存管理的自動化程度，并增強生產環節的可追溯能力；

在物聯網體系中，SCADA、MES、EMS和WMS系統間的界限與層級將越來越模糊：SCADA系統的功能將向上延伸（更豐富的業務處理能力及數據管理能力）；MES、EMS、WMS系統將向下擴展（具備更多與底層設備進行通訊的能力）；伴隨著彼此之間的滲透與融合，工業物聯網平臺將逐漸形成，并憑借其標準而靈活的架構，方案可定制化程度高等優勢，將傳統系統取而代之。

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關于工業4.0趨勢的闡述并非虛無縹緲，因為它不但是西方學術界所共同總結出的最佳實踐理論體系，而且也是業界領軍者們根據自身利益與產品定位所達成的普遍共識。因此早在工業4.0概念推出之前，這些巨頭們已經在著手進行相關的知識與技術儲備，并于近幾年內逐步推出自己的產品和解決方案。

當前，中國的生產模式依然處于較為粗放的階段，與西方發達國家仍存在著較大的差距。作為后來者與跟隨者，學習與效仿西方先進理念與技術無疑是縮小差距的最佳途徑；因此筆者想通過本文，為大家介紹一個國內尚未被廣泛認知，而西方工業領軍者們已經開始廣泛采納的技術路線 - OPC UA。

OPC UA - 工業4.0技術路線圖

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OPC UA又稱為OPC統一架構，它是一套集信息模型定義，服務集與通訊標準為一體的標準化技術框架。OPC UA規范由OPC基金會主導制定，并由多家廠商參與技術層面的設計、開發與產品化。

OPC UA架構的目的在于為行業內的軟、硬件廠商和集成商提供一套指導性的技術路線圖，從而幫助它們無縫的融入到工業4.0中的各個體系當中：

對于構建智能工廠的解決方案提供商而言，OPC UA是一套標準化、便于整合的產品家族，該套產品體系遍布于智能工廠的CPS系統和物聯網系統，并能夠滿足以下幾點需求：

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對于CPS設備或物聯網信息系統的開發者，OPC UA是一套符合OPC UA規范的實時數據中間件開發框架，其特點如下：

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OPC UA架構簡介

OPC UA是一個Client/Server架構的實時數據庫框架，UA Server負責管理自身的數據與處理邏輯，并通過OPC UA通訊協議對UA Client程序提供相應的數據與服務。

UA Server是基于OPC UA 服務器框架(UA Server SDK) 二次開發而生成的服務端程序，該程序即可以是CPS體系中的CPS設備： PLC, RFID Reader或傳感器，也可以是物聯網體系中的應用平臺：MES，SCADA，EMS, WMS等。

UA Client負責與UA Server進行通訊，并訪問UA Server中的數據與服務。由UAClient 開發的程序可以是界面應用（HMI、報表和報警中心），企業管理與決策平臺（ERP和大數據平臺），物聯網系統（與CPS設備進行通訊的MES或SCADA）或是CPS設備（與RFID Reader進行協同的PLC）。

OPC UA Server三層結構 - 數據層，服務層與通訊層

OPC UA的數據層又稱地址空間（Address Space），它是由一系列擁有具體含義的內存數據與持久數據所組成的數據集合。地址空間采用面向對象的思想進行設計，由于其數據組織方式靈活自由，因此能夠對工業現場數據，業務數據，歷史數據，事件，報警，事務和信息模型進行統一管理與描述。

OPC UA服務層介于數據層與通訊層之間，負責處理指定的交互任務。

OPC UA的通訊層又稱UA 協議棧(UA Stack)，其特點如下：

√??? 安全通道：負責對UA Client與UA Server的通訊數據進行加密與解密；

√??? 多種傳輸格式：支持二進制和 HTTP 數據傳輸，其中采用 HTTP 格式的數據具有防火墻友好的特性；

√??? 多傳輸方式：目前支持TCP通訊，將來會支持UDP通訊。

如何使用OPC UA

OPC UA是一項由淺入深的技術，針對不同需求的OPC UA使用者，其所需掌握的知識深度與技能的種類也有所不同。

OPC UA Server產品開發建議

開發UA Server產品是一項復雜的工程，因此筆者根據自身的開發經驗，在架構層面進行了一些總結，以供參考。

嵌入式UA Server:

√??? 物理交互層：用于與設備的物理層進行通訊，負責將上行物理信號轉換為OPC UA 格式，將下行數據轉換為物理控制信號；

√??? 邏輯計算層：對采集數據及中間數據進行實時分析，對控制邏輯進行處理；

√??? 應用模型：根據現場設備特性所定義的設備模型及相應的邏輯計算模型。

物聯網平臺UA Server：

√??? 設備通訊層：與現場多個且不同種類的設備進行通訊，負責數據的采集，命令的下發，通訊鏈路的維護以及通訊協議的轉換等；

√??? 業務處理層：將采集上來的信號變為簡單易懂的數據；將所需執行的任務分解為具體的控制命令；將過程化的數據進行集中處理，形成有價值的業務導向信息；

√??? 應用模型：根據現場設備特性定義的設備模型，以及以服務為導向的業務管理模型；

√??? 配置管理：負責在地址空間中動態的創建設備通訊實例和業務處理實例；

√??? 歷史管理：負責記錄程序運行過程中的設備數據與業務數據，并對外提供查詢服務。

OPC UA生態系統：

OPC UA應用案例

結束語

OPC UA是一項匯集了業界專家常年實踐經驗的產物，無論是總體的設計思想，還是具體的技術細節，都能讓我們感受到OPC UA所凝聚的匠人精神。

學習OPC UA 是一個自我提升，自我修煉的過程：通過對OPC UA的學習，我們能從中汲取到寶貴的知識與經驗；通過使用 OPC UA，我們能夠站在巨人的肩膀上，站得更高，看的更遠。

作為OPC UA忠實的粉絲，筆者希望借此文章讓更多的人接觸與理解OPC UA，并希望在不久的將來，國內市場上能出現更多國人自己的OPC UA產品及解決方案。