張憲民,薛棟棟,鄭家和,李 海
(華南理工大學(xué)廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510641)
隨著“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025規(guī)劃”的提出,制造業(yè)開始向智能制造轉(zhuǎn)型[1-2]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的表現(xiàn)形式[3],一個(gè)完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)從下至上可以分為智能感知層、互聯(lián)互通層與智能決策層3 個(gè)層級(jí)[4]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在各種不同的設(shè)備,除了用于加工制造過程,還提供了豐富的數(shù)據(jù);但這些設(shè)備通信方式多樣,語義信息不一,因此產(chǎn)生的多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)無法得到利用,形成了“信息孤島”[5]?;ヂ?lián)互通層的作用正是提供統(tǒng)一語義的通信方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的傳輸與解析,打通數(shù)據(jù)鏈,從而實(shí)現(xiàn)制造資源向智能化轉(zhuǎn)變,使制造過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)得到有效利用[6-7]。只有實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備與各系統(tǒng)的互聯(lián)互通,使接口標(biāo)準(zhǔn)化,信息交互簡(jiǎn)便化,才能進(jìn)一步地運(yùn)用孿生車間[8]、深度學(xué)習(xí)[9]、邊緣計(jì)算[10]等技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界數(shù)字化、制造數(shù)據(jù)信息化、制造過程智能化,最終實(shí)現(xiàn)智能制造。
OPC UA(Object Linking and Embedding for Pro?cess Control Unified Architecture)是用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通的一種標(biāo)準(zhǔn)化的、完全開放的通訊協(xié)議,已經(jīng)被德國(guó)機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)(VDMA)指定為工業(yè)4.0通信的推薦規(guī)范[11]。OPC UA為多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集和傳輸提供了技術(shù)方案。對(duì)應(yīng)ISO/OSI七層模型,如圖1 所示,OPC UA 為應(yīng)用于應(yīng)用層的通訊協(xié)議,其余層次的通訊協(xié)議可以如圖所示。
本文以智能制造互聯(lián)互通研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù)OPC UA 為出發(fā)點(diǎn),對(duì)OPC UA 技術(shù)進(jìn)行了介紹,包括OPC UA 的發(fā)展歷程及其技術(shù)特點(diǎn);其次講述了OPC UA 信息建模和OPC UA 應(yīng)用的開發(fā)流程,介紹了現(xiàn)階段OPC UA技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況;然后分析了應(yīng)用OPC UA技術(shù)時(shí)存在的問題;最后展望了OPC UA 技術(shù)相關(guān)研究的進(jìn)展。本文為OPC UA 技術(shù)的應(yīng)用和研究提供了參考。
圖1 ISO/OSI七層模型
1995 年,OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)技術(shù)由OPC 基金會(huì)提出[12],是微軟公司OLE技術(shù)在過程控制中的應(yīng)用,提供了3個(gè)OPC規(guī)范:數(shù)據(jù)訪問(DA)、報(bào)警和事件(A&E)、歷史數(shù)據(jù)訪問(HDA),廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化行業(yè)中。但OPC 技術(shù)存在一系列的問題,如對(duì)Windows 的依賴性、安全性不足、各服務(wù)器相互獨(dú)立等問題[13]。隨后,推出的OPC 可擴(kuò)展標(biāo)記語言-數(shù)據(jù)訪問(XML-DA)是平臺(tái)無關(guān)的OPC 規(guī)范,可用于網(wǎng)絡(luò)通信,但高資源消耗帶來有限的性能提升,實(shí)時(shí)性較差,且安全性方面的問題未能解決[14]。2006年,又推出了OPC UA(Unified Architecture)通信規(guī)范[15],是對(duì)OPC 的繼承與升級(jí),解決了OPC 技術(shù)在跨平臺(tái)、安全性、建模能力方面的不足[16]。由于OPC UA 強(qiáng)大的信息建模能力,OPC UA技術(shù)得到了眾多行業(yè)應(yīng)用的關(guān)注,出現(xiàn)了許多伴隨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如PLCopen發(fā)布了OPC UA相關(guān)的技術(shù)規(guī)范用于運(yùn)動(dòng)控制[17]。
(1)訪問的統(tǒng)一性。OPC UA 將OPC 技術(shù)中的DA、A&E、HDA 及各種命令集合在一起,形成地址空間,客戶端只需要一次訪問,即可獲得所有的信息[18]。
(2)面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)。應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)進(jìn)行聯(lián)系,服務(wù)是中立的,獨(dú)立于硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語言[19]。因此,OPC UA 可以使用C++、C#、java 等各種語言開發(fā),并可以在Win?dows、Linux、Unix 等平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[20]。另外,OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)定義了10 類37 種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù),如建立會(huì)話、瀏覽、調(diào)用方法等。
(3)高性能通信。通過單一的端口進(jìn)行通信,減少了配置的時(shí)間,通過通信棧進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼、加密和傳輸,通信速度較快。
(4)安全性。OPC UA使用標(biāo)準(zhǔn)安全模型保證安全性,底層提供加密和安全通道,主要通過非對(duì)稱加密方式和X.509證書保證安全性[21],其身份認(rèn)證機(jī)制能有效地防御網(wǎng)絡(luò)中的惡意攻擊[22],保證安全可靠的通信。
(5)可靠性與冗余性。采用冗余校驗(yàn)技術(shù),具備對(duì)錯(cuò)誤的自動(dòng)檢查與糾正能力。
(6)C/S與Pub/Sub實(shí)現(xiàn)機(jī)制。OPC UA提供了兩種不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制:一種為主要基于TCP 的客戶端/服務(wù)器模型(C/S),一種為主要基于UDP 的發(fā)布者/訂閱者模型(Pub/Sub)。不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制應(yīng)用于不用的場(chǎng)景。
(7)面向?qū)ο蠼?。OPC UA具備強(qiáng)大的建模能力[23],采用面向?qū)ο笏枷脒M(jìn)行信息建模,在元模型的基礎(chǔ)上可以建立靈活的信息模型。
對(duì)于制造過程中的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),使用具有眾多優(yōu)越性的OPC UA技術(shù)進(jìn)行傳輸和解析,可以使多元異構(gòu)數(shù)據(jù)得到利用,有利于設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
信息建模是工業(yè)4.0中的一個(gè)關(guān)鍵因素,代表數(shù)據(jù)的意義與對(duì)數(shù)據(jù)的描述,實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵即為建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型[24]。在建立信息模型方面有多種體系,如OPC UA、UML、CIM-OSA[25]等。王民等[26]對(duì)幾種信息建模方式進(jìn)行了對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)基于OPC UA的信息建模具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
在OPC UA 技術(shù)中,信息模型包含在OPC UA 服務(wù)器的地址空間中,完全互聯(lián)并以圖拓?fù)涑尸F(xiàn),有利用實(shí)現(xiàn)訪問的統(tǒng)一性。在地址空間中,節(jié)點(diǎn)為基本單位,而節(jié)點(diǎn)是由屬性和引用兩部分組成,屬性用于描述特定節(jié)點(diǎn),引用代表兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián),通過引用形成了地址空間的層次結(jié)構(gòu)。在OPC UA 的地址空間中,總共有8 種類型的節(jié)點(diǎn),分別為數(shù)據(jù)類型節(jié)點(diǎn)、變量節(jié)點(diǎn)、變量類型節(jié)點(diǎn)、對(duì)象節(jié)點(diǎn)、對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)、方法節(jié)點(diǎn)、視圖節(jié)點(diǎn)、參考類型節(jié)點(diǎn),各種類型節(jié)點(diǎn)的語義及關(guān)系如圖2 所示。OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)元模型預(yù)定義了很多標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)類型、變量類型、對(duì)象類型與參考類型,如表示屬性的變量類型PropertyType、表示基本事件類型的對(duì)象類型BaseEventType、表示組織層次結(jié)構(gòu)的參考類型Orga?nizes等。另外,OPC UA還提供了對(duì)元模型進(jìn)行擴(kuò)展的自由度,客戶端可以可以自動(dòng)識(shí)別自定義類型的語義,如自定義枚舉數(shù)據(jù)類型MachineStatus 表示系統(tǒng)狀態(tài)、自定義對(duì)象類型SCARAType 表示對(duì)SCARA設(shè)備的抽象等,通過這些操作可以豐富語義,更加靈活地建立信息模型。OPC UA信息建模是面向?qū)ο筮M(jìn)行建模的,對(duì)象類型節(jié)點(diǎn)與對(duì)象節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于類與類的實(shí)例化,部分參考類型也可以以面向?qū)ο蟮乃枷肜斫猓鏗asSubType 參考類型相當(dāng)于繼承,Has?Component相當(dāng)于類中的變量與方法等。此外,事件是處理信息鴻溝的重要方法之一[27],事件提供了相比一般數(shù)據(jù)更多的信息,代表特定事件發(fā)生,可用于設(shè)置通知和報(bào)警。最后,OPC 基金會(huì)定義了各種節(jié)點(diǎn)類型及參考類型的圖形化表示方法[28],可以使用代表特定語義的圖形畫出人類易讀信息模型圖。
圖2 OPC UA地址空間中8種類型節(jié)點(diǎn)
基于OPC UA的信息建模對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合與解析具有非常重要的意義。因此,在制造工廠對(duì)各種設(shè)備與系統(tǒng)建立合理且完整的信息模型,使同一種類型的設(shè)備與系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口,實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一,是實(shí)現(xiàn)智能制造互聯(lián)互通的首要工作。
首先,對(duì)目標(biāo)將應(yīng)用OPC UA功能的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行分析。觀察設(shè)備或系統(tǒng)的使用場(chǎng)景,看其是應(yīng)用于設(shè)備級(jí)、車間級(jí)或企業(yè)級(jí),分析其組成元素和包含的異構(gòu)數(shù)據(jù),確定需要實(shí)現(xiàn)的功能。
其次,建立設(shè)備或系統(tǒng)的信息模型。查看是否存在適用的行業(yè)伴隨模型,如建立車間機(jī)床信息模型可以參考我國(guó)于2019年發(fā)布的《數(shù)字化車間機(jī)床制造信息模型》(GB/T 37928-2019)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[29]。如果沒有行業(yè)伴隨模型參考,則需要對(duì)實(shí)際的設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行抽象,建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型,實(shí)現(xiàn)從物理空間到虛擬空間的映射。信息模型可以輸出為XML文件以便重復(fù)使用。
然后,選擇使用的OPC UA開發(fā)庫(kù)。當(dāng)開發(fā)OPC UA服務(wù)器或客戶端時(shí),一般不會(huì)從標(biāo)準(zhǔn)讀起,從零開始進(jìn)行自主研發(fā),而是會(huì)使用開源庫(kù)或者商業(yè)庫(kù)進(jìn)行開發(fā)。常用的OPC UA 開源庫(kù)有open62541 庫(kù),商業(yè)庫(kù)有Unified Automation、Prosys 等公司提供的OPC UA SDK[28]。一些工業(yè)軟件也實(shí)現(xiàn)了OPC UA 功能,可以直接創(chuàng)建OPC UA服務(wù)器和客戶端,如Lab?view[30]、Kepware[31]。選擇一個(gè)合適的開發(fā)方式能大大地節(jié)省工作量,可以根據(jù)開發(fā)語言、操作系統(tǒng)、所需要的功能、性能等各方面的因素選擇合適的OPC UA開發(fā)包。
最后,在設(shè)備或系統(tǒng)中開發(fā)OPC UA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息模型的實(shí)例化。通過節(jié)點(diǎn)映射關(guān)系、數(shù)據(jù)采集策略、數(shù)據(jù)緩存策略實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源的綁定,并綁定方法,設(shè)置事件與報(bào)警、歷史訪問、訪問安全[32]等功能,運(yùn)行OPC UA 服務(wù)器。對(duì)于缺乏軟件接口而又需要獲取的數(shù)據(jù),可以通過增加傳感器以采集數(shù)據(jù)。對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)眾多的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及私有協(xié)議,進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為OPC UA通訊協(xié)議,使對(duì)外呈現(xiàn)統(tǒng)一的接口如圖3 所示。搭建完OPC UA 服務(wù)器后,在需要使用數(shù)據(jù)的位置建立OPC UA 客戶端,通過OPC UA的編碼格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換
OPC UA作為具有巨大優(yōu)越性的通訊協(xié)議,已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。德國(guó)倍福公司于2010 年5 月開發(fā)了支持OPC UA 的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī),是OPC UA 在工控領(lǐng)域的第一次成功應(yīng)用[33],西門子,艾默生等公司的產(chǎn)品也開始支持OPC UA通訊[28]。
在我國(guó),2017 年9 月GB/T 33863.1~.8-2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》前8個(gè)部分發(fā)布,OPC UA技術(shù)在我國(guó)也得到越來越廣泛的應(yīng)用,包括針織領(lǐng)域[34]、發(fā)酵行業(yè)[35]、船舶集成平臺(tái)[36]、盾構(gòu)機(jī)[37]、煤礦監(jiān)控[38]、地鐵監(jiān)控[39]等各種領(lǐng)域。在制造車間的應(yīng)用與研究是最多的,包括染整車間[40]、印刷車間[41]、模具裝備制造車間[42]等。制造車間中最重要的兩個(gè)部分即為機(jī)床與機(jī)器人,在機(jī)床方面,對(duì)西門子數(shù)控機(jī)床[43-44]、國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床[45]、塑性成形機(jī)床[46],軋輥磨床[47]等有對(duì)OPC UA接口的應(yīng)用與開發(fā)研究;機(jī)器人方面,有應(yīng)用OPC UA技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS上開發(fā)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的研究[48],也有針對(duì)特定類型的機(jī)器人如SCARA[49]及特定公司的機(jī)器人如FANUC 機(jī)器人[50]上監(jiān)控系統(tǒng)的研究。
OPC UA已經(jīng)得到充足的應(yīng)用,但當(dāng)前仍存在一些問題需要解決,主要包括以下幾個(gè)方面。
(1)設(shè)備與系統(tǒng)的升級(jí)。使用OPC UA技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)的互聯(lián)互通能帶來巨大的優(yōu)勢(shì),但各種制造工廠已經(jīng)存在大量設(shè)備與產(chǎn)線,新的數(shù)字化車間、智能設(shè)備在制造業(yè)中所占的比例較小?,F(xiàn)有的設(shè)備不可能完全舍棄,只能在維護(hù)現(xiàn)有設(shè)備與系統(tǒng)的同時(shí)進(jìn)行逐步的改造與升級(jí)。然而,現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備的壽命周期較長(zhǎng),如美國(guó)生產(chǎn)線的平均壽命程度為22年[51],而不同行業(yè)的設(shè)備的壽命也不盡相同[52]。因此,對(duì)所有的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代,使得制造工廠中的所有設(shè)備與系統(tǒng)均支持OPC UA通訊協(xié)議是一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作。
(2)標(biāo)準(zhǔn)化信息模型的建立。只有建立了各行各業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型,實(shí)現(xiàn)語義的統(tǒng)一,才能實(shí)現(xiàn)真正的即插即用。但目前大部分自動(dòng)化行業(yè)尚未建立標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA信息模型供設(shè)備制造商參考與使用,不同的設(shè)備制造商對(duì)相同的設(shè)備使用不同的信息模型顯然與建立信息模型的初衷相悖。
(3)實(shí)時(shí)性問題。目前OPC UA相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)機(jī)制基本采用了客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)。該架構(gòu)在傳輸層的基本通訊協(xié)議主要為TCP 通訊協(xié)議,因此,具備序列號(hào)、確認(rèn)應(yīng)答機(jī)制、超時(shí)重傳等保證可靠性的機(jī)制,同時(shí)這些機(jī)制也導(dǎo)致了無法保證實(shí)時(shí)性。另外,制造現(xiàn)場(chǎng)所需要傳輸與解析的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)成倍增加,OPC UA服務(wù)器中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在不斷增多,當(dāng)多個(gè)OPC UA 客戶端同時(shí)連接OPC UA 服務(wù)器傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí),資源開銷巨大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求增高,實(shí)時(shí)性愈加無法保證。
(4)跨網(wǎng)絡(luò)問題?,F(xiàn)今,自動(dòng)化金字塔的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代智能制造的需求,設(shè)備及系統(tǒng)不僅需要縱向的上位機(jī)與下位機(jī)間的通信,還需要設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互,即橫向的通信;另外,云計(jì)算、孿生車間等技術(shù)需要云平臺(tái)直接連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,即跨層級(jí)的任意的聯(lián)通。當(dāng)前大部分的研究應(yīng)用都是基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)下的互聯(lián),而不同的設(shè)備或系統(tǒng)可能位于不同網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用OPC UA技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)的安全可靠且實(shí)時(shí)性較高的互聯(lián)互通仍是需要解決的問題。
(5)嵌入式系統(tǒng)中的OPC UA。生活中嵌入式系統(tǒng)無處不在,家用電器如咖啡機(jī)及生活用品如智能手表均為嵌入式系統(tǒng),在工業(yè)制造中常用的傳感器也為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式平臺(tái)可以認(rèn)為是用于實(shí)現(xiàn)某特定系統(tǒng)的控制與調(diào)節(jié)的計(jì)算平臺(tái),且大部分嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能力相對(duì)較弱[53]。當(dāng)前制造車間中,控制器與嵌入式系統(tǒng)之間需要更加頻繁的通信,系統(tǒng)可能需要與云平臺(tái)直接通信,系統(tǒng)需要開放更多的功能,而新的技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算的出現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)的多邊通信提供了可能性[54-55],但仍需要解決最重要的通信問題。OPC UA即為解決嵌入式系統(tǒng)通信問題的合適的技術(shù),但當(dāng)嵌入式平臺(tái)的代碼容量很小時(shí),OPC UA技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用就變得很困難[56]。在國(guó)外,小型設(shè)備及傳感器的嵌入式系統(tǒng)上開發(fā)OPC UA服務(wù)已經(jīng)有了大量的研究[57],Unified Automa?tion 公司已經(jīng)提供了針對(duì)小型設(shè)備的OPC UA 軟件解決方案[28],而國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究極少。
為了解決傳統(tǒng)的C/S實(shí)現(xiàn)機(jī)制因?yàn)閷?shí)時(shí)性、資源受限而導(dǎo)致的OPC UA 通訊效率收到制約的問題[58],OPC 基金會(huì)于2018 年發(fā)布了發(fā)布者/訂閱者(Pub/Sub)規(guī)范[59]。C/S 架構(gòu)與Pub/Sub 架構(gòu)的對(duì)比如圖4所示,可以發(fā)現(xiàn)相比C/S 架構(gòu)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式,Pub/Sub 采用組播式通訊,信息的傳遞通過消息中間件(MOM)完成[60],發(fā)布者按照一定規(guī)則發(fā)布數(shù)據(jù),訂閱者接收數(shù)據(jù)。發(fā)布者與訂閱者之間互為透明,可以動(dòng)態(tài)地改變發(fā)布者和訂閱者的數(shù)量。另外,發(fā)布者發(fā)布消息時(shí),即使訂閱者斷開連接也能完成消息發(fā)布,從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)布者與訂閱者之間的解耦。
圖4 C/S架構(gòu)與Pub/Sub架構(gòu)
為了使信息在來自不同廠商的發(fā)布者和訂閱者之間的自由傳遞,在MOM模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了多種協(xié)議,其中使用最為廣泛的方案是高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議(AMQP)和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(MQTT)。其中,AMQP 提供了更多安全方面的功能[61-62],MQTT 則需要消耗的資源更少,適用于硬件資源受限的情況[63-64]。
Pub/Sub 的OPC UA 實(shí)現(xiàn)機(jī)制可用于制造車間中實(shí)現(xiàn)橫向的互聯(lián)互通,同一產(chǎn)線中不同設(shè)備間的互相通信對(duì)工序協(xié)同、故障避免等具有重要意義。另外,Pub/Sub 結(jié)合AMQP 與MQTT 技術(shù),為設(shè)備上云提供了支持。作為OPC UA 較新內(nèi)容,Pub/Sub 未來將會(huì)得到更多的研究與更廣泛的應(yīng)用。
OPC UA無法保證數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性,限制了OPC UA 的使用場(chǎng)合,由此,時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)結(jié)合OPC UA 應(yīng)運(yùn)而生[65]。TSN 是對(duì)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展,工作在ISO/OSI七層模型中的數(shù)據(jù)鏈路層,提供了3 個(gè)核心功能:時(shí)間同步、流量調(diào)度以及系統(tǒng)配置[66]。OPC UA 與TSN 結(jié)合可以顯著提升實(shí)時(shí)性,設(shè)備或系統(tǒng)響應(yīng)更加迅速;對(duì)底層的大量數(shù)據(jù),TSN能有效減輕傳輸時(shí)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。目前,針對(duì)OPC UA與TSN相結(jié)合的研究與應(yīng)用已經(jīng)得到了一定的進(jìn)展,各芯片制造商與設(shè)備制造商紛紛提出TSN 解決方案[67],Julius P 等[68]提出了一種基于open62541 的OPC UA Pub/Sub 結(jié)合TSN 的方法,多家國(guó)際組織和知名廠商聯(lián)合發(fā)布了OPC UA TSN 智能制造測(cè)試床[69]。TSN 與OPC UA組合應(yīng)用具有很好的應(yīng)用前景。
針對(duì)上文中提到的當(dāng)前OPC UA應(yīng)用時(shí)存在的問題,未來將會(huì)不斷地有相關(guān)的研究,如不斷地建立應(yīng)用于各行各業(yè)中的基于OPC UA的信息模型、在各種嵌入式系統(tǒng)加入OPC UA通訊功能等。其次,當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)存在大量的通訊協(xié)議,協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件的開發(fā)具有一定的必要性,如ModbusTCP 協(xié)議的OPC UA 中間件[70]。數(shù)據(jù)的安全問題是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的巨大隱患,對(duì)OPC UA安全機(jī)制的進(jìn)一步研究,如應(yīng)用于移動(dòng)終端的身份認(rèn)證方法[71]、更加優(yōu)越的加密方法[72]等具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值。最后,如今各種新的技術(shù)不斷出現(xiàn),云架構(gòu)[73]、5G[74]與OPC UA 技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用也應(yīng)該得到關(guān)注。
隨著信息時(shí)代的到來,人們對(duì)信息共享的需求越來越高,也促使著制造工廠向智能制造的方向發(fā)展。OPC UA技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)智能制造中互聯(lián)互通的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù),其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高效的傳輸,還能通過信息建模實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)語義的統(tǒng)一,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析。通過OPC UA技術(shù),來自不同廠家的設(shè)備可以通過標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)入口直接相互聯(lián)通,實(shí)現(xiàn)即插即用。OPC UA是一種面向未來的工業(yè)通信技術(shù),面對(duì)當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型的機(jī)遇與挑戰(zhàn),應(yīng)該對(duì)OPC UA 技術(shù)予以高度重視,關(guān)注其應(yīng)用與發(fā)展。