工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）都是需要設(shè)備和服務(wù)端之間具有高度聯(lián)網(wǎng)和強(qiáng)大通信能力的理念。從傳感器到 IT 層必須交換大量數(shù)據(jù)?；?PC 控制技術(shù)的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)使得它非常適合用于此項(xiàng)任務(wù)。推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0 理念可行的另一個(gè)基本因素是 SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）PLC。通過(guò) Web 服務(wù)訪問(wèn)PLC 已經(jīng)不是新技術(shù)了 — 那么什么是 SOA？在“SOA-PLC”中究竟什么才是新技術(shù)？以及它可以帶來(lái)什么附加值？

工業(yè)4.0 理念能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)，需要設(shè)備和服務(wù)端之間具有合適的聯(lián)網(wǎng)和通信。它們彼此間必須能夠直接通信。傳感器、測(cè)量設(shè)備、RFID芯片、PLC 控制器、 HMI、MES和 ERP 系統(tǒng)都為企業(yè)提供重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)的控制架構(gòu)中，數(shù)據(jù)需要事件驅(qū)動(dòng)或循環(huán)啟動(dòng)，并總是響應(yīng)“來(lái)自上層” — 即來(lái)自客戶端層的請(qǐng)求。下層總是用作服務(wù)器和應(yīng)答機(jī)制：可視化，例如，可以從PLC 請(qǐng)求狀態(tài)數(shù)據(jù)或傳輸新的生產(chǎn)配方到 PLC。第一步是將電傳感信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。然后在PLC 內(nèi)分配一個(gè)時(shí)間戳，并通過(guò)其它服務(wù)端將信息傳輸給 MES-IT 層（圖1）。

圖 1：未來(lái)，傳統(tǒng)的‘自動(dòng)化金字塔’的層級(jí)結(jié)構(gòu)將通過(guò)在所有層集成 OPC UA 的方式變?yōu)樽詣?dòng)化服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備和服務(wù)端相互間將通過(guò)調(diào)用 SOA 服務(wù)的方式直接“對(duì)話”

有了工業(yè)4.0，這種嚴(yán)格的層級(jí)分離和信息流自上而下的方法將開始軟件化和混合。在一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)中，每臺(tái)設(shè)備或服務(wù)都可以自主地發(fā)起與其它服務(wù)端的通信。

B2B – B2M– M2M

一般來(lái)說(shuō)，所有在工業(yè)4.0 中定義的通信場(chǎng)景和IoT組可以從一個(gè)抽象的角度分成兩個(gè)通信架構(gòu)環(huán)境：一方面是“硬實(shí)時(shí)”服務(wù)（即在自動(dòng)化方面，如確定性 PLC 用于完成控制目的），另一方面是“軟實(shí)時(shí)”環(huán)境中的服務(wù)，例如在一個(gè) IT 環(huán)境中（圖2）。

圖 2：在通信環(huán)境中，可以分成“IT”和“自動(dòng)化”三個(gè)可能的通信轉(zhuǎn)換，不管是“硬”還是“軟”實(shí)時(shí)需求：“B2B”、“B2M”和“M2M”。

準(zhǔn)確說(shuō)，這將導(dǎo)致出現(xiàn)三個(gè)可能的通信轉(zhuǎn)換，正如工業(yè) 4.0 WG2 執(zhí)行委員會(huì)定義的那樣：

1.“B2B”通信：兩個(gè)業(yè)務(wù)進(jìn)程相互通信。示例：一個(gè) ERP 應(yīng)用程序與一個(gè)MES 程序交換信息。例如，HMI 和 MES、MES和 MES 或傳感器和云之間的交換可以在任何地方在幾毫秒到幾分鐘的時(shí)間內(nèi)完成。

2.“B2M”通信：一個(gè)“軟實(shí)時(shí)”進(jìn)程與一個(gè)“硬實(shí)時(shí)”進(jìn)程通信。示例：一個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用程序與一臺(tái)機(jī)器交換信息。例如HMI 和 PLC 或 MES 和PLC 控制器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換所需的時(shí)間從幾毫秒到幾分鐘不等。

3.“M2M”通信：自動(dòng)化環(huán)境中的兩個(gè)進(jìn)程相互間進(jìn)行“硬”或“軟”實(shí)時(shí)通信。示例：一個(gè)機(jī)器人平臺(tái)控制器與一個(gè)手持式機(jī)器人控制器橫向交換控制信息。數(shù)據(jù)交換可以在一個(gè)從微秒到毫秒范圍內(nèi)的確定性的硬實(shí)時(shí)周期內(nèi)完成。另外一個(gè)示例：兩個(gè)控制器以橫向 — 高速（在“軟”實(shí)時(shí)中）、循環(huán)及獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線的方式交換數(shù)據(jù)。

在這里，確定性可以看成是一個(gè)“服務(wù)質(zhì)量（QoS）”，具有通信過(guò)程可能滿足或不能滿足的某些要求；這些要求會(huì)由一個(gè)保障期限定義，如100微秒的響應(yīng)時(shí)間。

術(shù)語(yǔ)“M2M”已經(jīng)被應(yīng)用到移動(dòng)無(wú)線通信中，在這里，M2M 指的是通過(guò)移動(dòng)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備與IT 進(jìn)程之間的連接。M2M 存在于使用 SIM 卡的技術(shù)。

不管是什么時(shí)期，最終都將定義為三個(gè)類別，事實(shí)是，在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0 中，通信將不再基于純數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)通信的互操作性。重點(diǎn)將會(huì)放在信息模型的交換上，即語(yǔ)義互操作性上。一個(gè)重要的因素將是傳輸?shù)耐暾院途唧w數(shù)據(jù)或服務(wù)訪問(wèn)權(quán)限的安全性。所有這些要求都是OPC 統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）的重要方面。它包含一個(gè)描述語(yǔ)言和信息模型的通信服務(wù)。作為一個(gè)IEC 62541 標(biāo)準(zhǔn)，OPC UA 設(shè)計(jì)用于映射其它組織，如BACnet、PLCopen、IEC61850、AIM AutoID和MES-DACH，的信息模型。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦信息安全局（BSI），OPCUA 中集成的“安全性設(shè)計(jì)”比其它協(xié)議中的要好很多，由于它與工業(yè) 4.0 有高度相關(guān)性，因此正在當(dāng)前的一個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行評(píng)估。

由于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)整合，以及它們的結(jié)構(gòu)和目的（元數(shù)據(jù)），OPCUA 特別適合用于機(jī)器間的分布式智能應(yīng)用，而不需要更高級(jí)的智能或者中央知識(shí)。OPC UA 組件的功能可以升級(jí)并已可在傳感器層使用（例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商Areva的當(dāng)前傳感器內(nèi)存使用，從240 kB閃存和 35 kB RAM 開始），直到SAP 系統(tǒng)。

PLCopen：PLC中的 OPC UA 客戶端功能

對(duì)于“啟動(dòng)通信”任務(wù)，PLC 控制器必須有一個(gè)客戶端組件— 非常適合用作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件。2006 年 10 月，Beckhoff提議定義基于OPC UA 的PLCopen通信模塊。三年后，PLCopen和OPC UA 工作組在Beckhoff的主持下成立。2010年，OPC UA（服務(wù)器）的IEC 61131-3 信息模型的映射用作一個(gè)共同的規(guī)范。實(shí)際上，這意味著一個(gè)符合IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的 PLC 程序可以使用不同廠商不同的專用工程工具加載不變的IEC。控制器通過(guò) OPC UA 讓它們的數(shù)據(jù)和信息可以以語(yǔ)義上相同的方式在外部使用，例如用于可視化和MES/ ERP 任務(wù)。這顯著減少了工程工作量。例如，在帶有 20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的功能塊實(shí)例中，它現(xiàn)在足夠鏈接單個(gè)實(shí)例對(duì)象— 甚至可以為不同的制造商以相同的方式執(zhí)行，而不是鏈接每個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)點(diǎn)到可視化掩碼或一個(gè) MES 系統(tǒng)。

其它建設(shè)性的小組作業(yè)的成果是2014 年四月在采用PLCopen規(guī)范“OPC UA 的客戶端功能塊用于IEC61131-3”的形式下完成了下一步工作。通過(guò)這種方式，控制器可以在通信中發(fā)揮主動(dòng)、引導(dǎo)作用，或用作常用分布式角色的替代方案（圖3）。

圖 3：PLCopen/OPCUA 客戶端模塊能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立于現(xiàn)場(chǎng)總線的高速通信。集成有 OPC UA客戶端的TwinCAT PLC 啟動(dòng)數(shù)據(jù)通信。

因此，PLC可以與其它控制器橫向交換復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或在 MES/ERP 系統(tǒng)內(nèi)的OPC UA 服務(wù)器中縱向調(diào)用方法，例如，以檢索新的產(chǎn)品訂單或?qū)?shù)據(jù)寫入云服務(wù)器中。這樣可以讓生產(chǎn)線獨(dú)立運(yùn)行（圖4）。

圖 4：用于方法調(diào)用的框圖

客戶在很早就意識(shí)到這些功能塊的潛力并從Beckhoff的實(shí)施中獲益。來(lái)自VogtlandWater and Wastewater Association 的SilvoMerz使用緊湊型CX9020 嵌入式控制器構(gòu)成 300 個(gè)本地水管理系統(tǒng)間的智能網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際的對(duì)象，如泵，在IEC 61131-3 PLC 控制器中建模成帶交互選項(xiàng)的復(fù)雜對(duì)象。因?yàn)?OPC UA 服務(wù)器集成在控制器中，這些對(duì)象可自動(dòng)作為復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供，用于實(shí)現(xiàn)與外部世界聯(lián)系的語(yǔ)義互操作性。其結(jié)果是構(gòu)成一個(gè)分布式智能系統(tǒng)，可以獨(dú)立做決定，并傳輸信息給它的“鄰居”或?yàn)槠渥约旱倪M(jìn)程查詢狀態(tài)和進(jìn)程值，以確保無(wú)故障的進(jìn)程循環(huán)。有了標(biāo)準(zhǔn)化的PLCopen功能塊，設(shè)備可以獨(dú)立地啟動(dòng)通信— 從 PLC 到其它作為 OPC UA 客戶端的工藝設(shè)備—而同時(shí)，能夠?qū)λ鼈兊恼?qǐng)求或作為 OPC UA 服務(wù)器的上位系統(tǒng)（SCADA，MES，ERP）的請(qǐng)求做出響應(yīng)。SilvioMerz對(duì)該解決方案十分熱心，無(wú)論從技術(shù)還是商業(yè)角度：“先前專用的解決方案換成CX9020 和集成式 OPC UA 客戶端和服務(wù)器，從而節(jié)省超過(guò)90% 的初期授權(quán)成本?！?/span>

調(diào)用OPC UA 方法的一個(gè)實(shí)際方案已在 2013 年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上向人們展示過(guò)了。Beckhoff的PLC 用作 OPC UA 客戶端并在公司iTAC的MES 系統(tǒng)中調(diào)用方法。一個(gè)RFID 代碼和過(guò)程數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)傳輸，在 MES 系統(tǒng)中注冊(cè)，檢查并分配“OK”或“失敗”等級(jí)。調(diào)用的方法確保性能和數(shù)據(jù)一致性（圖5）。

圖 5：無(wú)握手的高效通信：TwinCATPLC 通過(guò)一個(gè) OPC UA 方法調(diào)用將RFID 信息傳輸給 MES 系統(tǒng)并將一個(gè)用于下一步驟的指令作為返回參數(shù)接收

SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）PLC

通過(guò)在OPC UA 服務(wù)器中映射 IEC 61131-3 以及PLCopen功能塊的使用，PLC制造商已經(jīng)奠定了重要的基礎(chǔ)。在其它設(shè)備中從 PLC 調(diào)用OPC UA 服務(wù)的選項(xiàng)是一個(gè)“B2M”方案的使能技術(shù)。例如，PLC 能夠在視覺/攝像頭應(yīng)用程序或RFID 閱讀器中調(diào)用一個(gè)服務(wù)，與 PLC 直接通信，或者將大數(shù)據(jù)應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸給云。PLC 可以調(diào)用這些方法，但它如何能夠自行提供服務(wù)，并通過(guò)容易處理的方式？

TwinCAT 3 為實(shí)施IEC 61131-3、C++ 和MATLAB?/Simulink? 模塊提供了選項(xiàng)，將它們裝載到不同的 CPU 內(nèi)核，并在不同的實(shí)時(shí)內(nèi)核中運(yùn)行這些模塊，同時(shí)確保它們相互間可以繼續(xù)可靠地交互。這一切的基礎(chǔ)是TwinCAT模塊語(yǔ)言，它描述了模塊的特性，例如關(guān)于過(guò)程參數(shù)或方法。

對(duì)于PLC 編程人員來(lái)說(shuō)，實(shí)施工作是很簡(jiǎn)單的：PLC 方法（可自由選擇的輸入/輸出參數(shù)）可以用作為一項(xiàng)在OPCUA 服務(wù)器中調(diào)用的服務(wù)，通過(guò)添加一個(gè)簡(jiǎn)單的“Pragma”指令行集成在 PLC 控制器中。在IT 安全和允許集成到 OPC UA 協(xié)議中的基礎(chǔ)上，每個(gè)OPC UA 客戶端都可以瀏覽TwinCAT OPC UA 服務(wù)器并調(diào)用所需的服務(wù)，這些與操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)，確保數(shù)據(jù)一致性（圖6）。

圖 6：IEC61131-3 PLC 中的方法可以批準(zhǔn)用于外部應(yīng)用

優(yōu)勢(shì)：SOA-PLC 中高效、數(shù)據(jù)一致的服務(wù)

目前，MES層和 PLC 之間的數(shù)據(jù)交換通常通過(guò)耗時(shí)的握手程序進(jìn)行。例如，MES 系統(tǒng)將配方信號(hào)傳輸給控制器，然后PLC 確認(rèn)準(zhǔn)備就緒。一旦配方數(shù)據(jù)接收完畢，就確認(rèn)傳輸。SOA-PLC 現(xiàn)在能夠在一次通信中將數(shù)據(jù)傳輸給控制器：數(shù)據(jù)值不再多次交換，而是作為一次服務(wù)通過(guò)輸入?yún)?shù)（配方）和輸出參數(shù)（通過(guò)PLC 確認(rèn)）處理。換句話說(shuō)，OPC UA 使得遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用（RPC）直接可用于編程PLC 功能塊。這將顯著縮短 PLC 和 MES 系統(tǒng)之間通信往返時(shí)間，并能夠帶來(lái)更高的生產(chǎn)能力。此外，它會(huì)大大降低車間和最高層之間數(shù)據(jù)鏈路的工程成本。

目前的狀況和未來(lái)前景

SOA-PLC 不僅僅是簡(jiǎn)單地支持Web 服務(wù)（直到 PLC），通過(guò) VPN 確保安全。它還包含了針對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警和服務(wù)（方法）的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)通信— 包括與所需的安全直到服務(wù)和數(shù)據(jù)層相應(yīng)的安全鏈接，包括信息模型的建模能力 — 所有這些都基于國(guó)際IEC 標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)在，將OPC UA 服務(wù)器和客戶端功能集成到控制器中使得實(shí)施智能網(wǎng)絡(luò)成為可能，并同時(shí)確保服務(wù)層訪問(wèn)權(quán)限的高安全標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)，信息模型的交換將變得越來(lái)越重要。那時(shí)，PLC應(yīng)該不再需要通過(guò)帶過(guò)程數(shù)據(jù)的 OPC UA 將自己作為IEC 61131-3 控制器在外部世界中展示，而是作為一個(gè)電流表，例如，要符合由測(cè)量設(shè)備制造商協(xié)會(huì)制定的規(guī)范。嵌入式控制器中使用的操作系統(tǒng)將不再是從外部可見的；出于安全原因，所有的端口都將關(guān)閉— 設(shè)備將只能通過(guò) OPC UA 提供其SOA 服務(wù)，確保服務(wù)和數(shù)據(jù)層的安全。除了數(shù)據(jù)和方法調(diào)用之外，“數(shù)據(jù)通過(guò) OPCUA傳輸”提供了有趣的選項(xiàng)，不僅針對(duì)本地離線測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，而且還針對(duì)其它任務(wù)，如設(shè)備管理。

圖 7：從 MES 調(diào)用方法到PLC 提高了先前耗時(shí)的數(shù)據(jù)握手機(jī)制的性能。

作為德國(guó)電氣、電子和信息技術(shù)委員會(huì)（DKE）工業(yè)4.0 標(biāo)準(zhǔn)化路線圖上唯一的 IEC 標(biāo)準(zhǔn)化 SOA 架構(gòu)，OPCUA 具有將自己打造成為工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中數(shù)據(jù)和信息交換業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的潛力。因此，從傳感器到IT 系統(tǒng)的安全、橫向和縱向通信在今天已經(jīng)是可行的了。Beckhoff在很早的時(shí)候就挖掘出了OPC UA 的潛力，如今可以提供集成有 OPC UA 客戶端和服務(wù)器的SOA-PLC，即使是最小的 CX 系列嵌入式控制器系統(tǒng)?；赑C 的TwinCAT軟件中的控制架構(gòu)— 它可以在各種設(shè)備類別上運(yùn)行— 可以與各種Beckhoff I/O 端子模塊和EtherCAT集成安全性能配套使用，這些都為滿足未來(lái)所有工業(yè)4.0 要求提供了一個(gè)理想的、性能可擴(kuò)展的平臺(tái)。

作者：Stefan Hoppe, Beckhoff的TwinCAT產(chǎn)品經(jīng)理，PLCopen和OPC 工作組組長(zhǎng)，OPC 歐洲委員會(huì)主席