促進工業(yè)4.0與OPC UA的融合，恩智浦如何提供助力？

從汽車到藥品的生產，電子器件和軟件組成的網絡有條不紊地制造出各種產品，提升我們的生活質量。為了構建可靠的工業(yè)4.0系統(tǒng)，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(tǒng)的持久性，構成了連接的核心挑戰(zhàn)。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絡轉換為有意義的智能，確保生產系統(tǒng)的高效運轉。

區(qū)分原始數據和加工后的信息至關重要，因為有效的運營決策往往基于多個數據源綜合得出的信息。信息建模是工業(yè)4.0的關鍵部分。在構建工業(yè)4.0系統(tǒng)的過程中，OPC統(tǒng)一架構 (UA) 是實現系統(tǒng)互操作性的關鍵工具。

許多通信標準都側重于移動原始數據。OPC UA對信息交換方式進行了標準化。OPC UA以數據類型為起點，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對適用于許多常見工業(yè)機械和工藝的模型進行了標準化。例如，可以使用OPC 40502-1對CNC系統(tǒng)進行建模。這意味著，任何符合OPC UA標準的軟件都能夠以一種規(guī)范化的方式訪問CNC設備的狀態(tài)，極大地簡化了不同系統(tǒng)間的集成過程。

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，訪問信息的機制實現了標準化，供應商特定信息可以通過標準化的OPC UA訪問機制發(fā)現和查詢。此外，OPC UA還能夠執(zhí)行任務或調用目標設備上的域特定API。

在OPC UA架構中，信息訪問主要通過兩種模式實現：一是客戶端-服務器模式，二是發(fā)布-訂閱 (Pub-Sub) 模式。

當OPA UA于2008年首次發(fā)布時，客戶端-服務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?？蛻舳?服務器模式基于TCP傳輸和HTTP/SOAP。

客戶端-服務器模式適用于多種應用場景。在這種模式下，客戶端負責管理其所需信息的獲取。然而，當眾多客戶端同時向同一OPC UA服務器請求相同的數據時，每個客戶端必須獨立請求數據。這種方法可能會導致網絡流量激增和系統(tǒng)復雜性加劇。

為了優(yōu)化這些場景和訪問模式，OPC基金會在其規(guī)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”。需要訪問數據的設備可以通過“主題”來從代理處獲取特定信息。

代理可以選擇多種開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(tǒng)。

這些中間件的關鍵在于，OPC UA已經定義了信息的結構，允許端點以一種標準化的方式來處理信息。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，顯著降低系統(tǒng)的復雜性。

此外，OPC UA還定義了一種無代理的信息交換模式。這個模式無需依賴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)，并且通過符合標準的安全措施為數據保駕護航。在客戶端與服務器 (或信息代理) 之間的TCP會話中，會話加密技術得到廣泛應用。

這一過程可能涉及X.509證書，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，能夠記錄訪問活動，留下審計軌跡。

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

無論是運行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，都可以輕松實現客戶端或服務器的功能。解決方案可以包括高級、功能強大的操作系統(tǒng)，如Linux。軟件的部署可以從open62541或S2OPC協(xié)議棧等開源項目開始。而眾多商業(yè)產品的加入則進一步加速了開發(fā)進程。

在工業(yè)應用中，確保信息傳遞和關鍵控制的確定性時序至關重要。TSN（時間敏感型網絡）以太網技術便是為了滿足這種確定性實時需求而生。

結合IEEE1588v2精確時間協(xié)議，TSN通過設定網絡上無競爭的固定通信時間窗口，實現了節(jié)點間的確定性通信。

雖然TSN的開發(fā)是獨立于OPC UA的，但OPC UA能夠在任何以太網網絡中實現互操作性。隨著OPC UA的發(fā)展，OPC基金會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，以實現可互操作的、確定性的系統(tǒng)。

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(jié)點。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解決方案帶來了實時控制的可能性。

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”到復雜生產場景的自動化解決方案，簡化信息交換。OPC UA的開放性保證了設備能夠在其整個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選項，為實現OPC UA解決方案提供了強有力的支持。

• 支持以太網的微控制器，如裸機運行或使用FreeRTOS等簡單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源版本。