促進(jìn)工業(yè)4.0與OPC UA的融合，恩智浦如何提供助力？

從汽車(chē)到藥品的生產(chǎn)，電子器件和軟件組成的網(wǎng)絡(luò )有條不紊地制造出各種產(chǎn)品，提升我們的生活質(zhì)量。為了構建可靠的工業(yè)4.0系統，工程團隊必須從設計之初就將連接和互操作納入考量。

安全性、可靠性、互操作性以及系統的持久性，構成了連接的核心挑戰。工業(yè)4.0不僅僅是傳輸原始數據。我們可以利用信息的力量將復雜的組件網(wǎng)絡(luò )轉換為有意義的智能，確保生產(chǎn)系統的高效運轉。

區分原始數據和加工后的信息至關(guān)重要，因為有效的運營(yíng)決策往往基于多個(gè)數據源綜合得出的信息。信息建模是工業(yè)4.0的關(guān)鍵部分。在構建工業(yè)4.0系統的過(guò)程中，OPC統一架構 (UA) 是實(shí)現系統互操作性的關(guān)鍵工具。

許多通信標準都側重于移動(dòng)原始數據。OPC UA對信息交換方式進(jìn)行了標準化。OPC UA以數據類(lèi)型為起點(diǎn)，將這些基礎元素巧妙地組織成靈活的信息結構，從而能夠精確地模擬各種傳感器、設備或流程。

OPC UA對適用于許多常見(jiàn)工業(yè)機械和工藝的模型進(jìn)行了標準化。例如，可以使用OPC 40502-1對CNC系統進(jìn)行建模。這意味著(zhù)，任何符合OPC UA標準的軟件都能夠以一種規范化的方式訪(fǎng)問(wèn)CNC設備的狀態(tài)，極大地簡(jiǎn)化了不同系統間的集成過(guò)程。

除了標準信息模型之外，供應商還可以添加擴展，為其設備賦予特定功能。在OPC UA的框架下，訪(fǎng)問(wèn)信息的機制實(shí)現了標準化，供應商特定信息可以通過(guò)標準化的OPC UA訪(fǎng)問(wèn)機制發(fā)現和查詢(xún)。此外，OPC UA還能夠執行任務(wù)或調用目標設備上的域特定API。

在OPC UA架構中，信息訪(fǎng)問(wèn)主要通過(guò)兩種模式實(shí)現：一是客戶(hù)端-服務(wù)器模式，二是發(fā)布-訂閱 (Pub-Sub) 模式。

當OPA UA于2008年首次發(fā)布時(shí)，客戶(hù)端-服務(wù)器模式是信息交換的主要模式。OPC UA的設計受其歷史發(fā)展的影響?？蛻?hù)端-服務(wù)器模式基于TCP傳輸和HTTP/SOAP。

客戶(hù)端-服務(wù)器模式適用于多種應用場(chǎng)景。在這種模式下，客戶(hù)端負責管理其所需信息的獲取。然而，當眾多客戶(hù)端同時(shí)向同一OPC UA服務(wù)器請求相同的數據時(shí)，每個(gè)客戶(hù)端必須獨立請求數據。這種方法可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )流量激增和系統復雜性加劇。

為了優(yōu)化這些場(chǎng)景和訪(fǎng)問(wèn)模式，OPC基金會(huì )在其規范中引入了發(fā)布-訂閱模式。在發(fā)布-訂閱模式中，生成信息的設備可以將數據發(fā)布到“代理”。需要訪(fǎng)問(wèn)數據的設備可以通過(guò)“主題”來(lái)從代理處獲取特定信息。

代理可以選擇多種開(kāi)放的面向消息的中間件軟件，如AMPQ (ISO/IEC19464:2014) 或通用的MQTT (ISO/IEC20922:2016) 消息系統。

這些中間件的關(guān)鍵在于，OPC UA已經(jīng)定義了信息的結構，允許端點(diǎn)以一種標準化的方式來(lái)處理信息。發(fā)布-訂閱模式的優(yōu)勢在于它能在眾多設備需要獲取相同信息時(shí)，顯著(zhù)降低系統的復雜性。

此外，OPC UA還定義了一種無(wú)代理的信息交換模式。這個(gè)模式無(wú)需依賴(lài)任何額外的軟件或中間件。

OPC UA在信息傳輸中通常采用TCP/IP協(xié)議 (包括TCP和UDP)，并且通過(guò)符合標準的安全措施為數據保駕護航。在客戶(hù)端與服務(wù)器 (或信息代理) 之間的TCP會(huì )話(huà)中，會(huì )話(huà)加密技術(shù)得到廣泛應用。

這一過(guò)程可能涉及X.509證書(shū)，確保信息交換的雙方都能夠驗證對方身份認證的有效性。此外，消息簽名功能確保了接收方能夠驗證請求方的身份。OPC UA還具備審計功能，能夠記錄訪(fǎng)問(wèn)活動(dòng)，留下審計軌跡。

得益于OPC UA在TCP/IP和以太網(wǎng)上的運行能力，幾乎所有配備了以太網(wǎng)接口的硬件設備都能夠加入到OPC UA的生態(tài)系統中。

無(wú)論是運行Linux的i.MX 93，還是搭載RTOS的i.MX RT跨界MCU (如i.MX RT1180)，甚至是基于MCX N947微控制器的裸機，都可以輕松實(shí)現客戶(hù)端或服務(wù)器的功能。解決方案可以包括高級、功能強大的操作系統，如Linux。軟件的部署可以從open62541或S2OPC協(xié)議棧等開(kāi)源項目開(kāi)始。而眾多商業(yè)產(chǎn)品的加入則進(jìn)一步加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

在工業(yè)應用中，確保信息傳遞和關(guān)鍵控制的確定性時(shí)序至關(guān)重要。TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò )）以太網(wǎng)技術(shù)便是為了滿(mǎn)足這種確定性實(shí)時(shí)需求而生。

結合IEEE1588v2精確時(shí)間協(xié)議，TSN通過(guò)設定網(wǎng)絡(luò )上無(wú)競爭的固定通信時(shí)間窗口，實(shí)現了節點(diǎn)間的確定性通信。

雖然TSN的開(kāi)發(fā)是獨立于OPC UA的，但OPC UA能夠在任何以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現互操作性。隨著(zhù)OPC UA的發(fā)展，OPC基金會(huì )引入了層間控制功能，允許高優(yōu)先級的信息傳遞得到優(yōu)先處理。OPC UA和TSN可以協(xié)同工作，以實(shí)現可互操作的、確定性的系統。

恩智浦的器件 (如i.MX RT1180) 內置了對千兆TSN的硬件支持。i.MX RT1180適用于OPC UA節點(diǎn)。i.MX RT1180支持高達5Gb的端口速率，并且兼容最新的TSN標準，為工業(yè)4.0解決方案帶來(lái)了實(shí)時(shí)控制的可能性。

OPC UA是一種為工業(yè)4.0應用構建的可擴展、開(kāi)放且安全的信息架構。在該架構下，工程師能夠設計出可以“插入”到復雜生產(chǎn)場(chǎng)景的自動(dòng)化解決方案，簡(jiǎn)化信息交換。OPC UA的開(kāi)放性保證了設備能夠在其整個(gè)生命周期中與堅固耐用的工業(yè)設備相匹配。

恩智浦以其多樣化的技術(shù)選項，為實(shí)現OPC UA解決方案提供了強有力的支持。

• 支持以太網(wǎng)的微控制器，如裸機運行或使用FreeRTOS等簡(jiǎn)單RTOS的MCX N947

• 支持TSN的跨界MCU，如搭載了Zephyr等功能強大的RTOS的i.MX RT1180

• 工業(yè)應用處理器，如運行Linux的Layerscape LS1028A

擁有面向OPC UA的商業(yè)軟件支持選項以及跨平臺的開(kāi)源版本。