我們現代化的生活方式無不依賴于一系列設施。在這些設施的背后，是機器、傳感器、運動控制系統、可編程邏輯控制器 (PLC) 以及企業級軟件的無縫協作。

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，確保生產系統的高效運轉。

區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4.0的關鍵部分。在構建工業4.0系統的過程中，OPC統一架構 (UA) 是實現系統互操作性的關鍵工具。

OPA UA基礎知識

OPC UA是一種信息架構，旨在實現工業組件之間的互操作性。OPC UA的設計基于工業界的集體智慧，建立在幾個關鍵支柱上，從而為長期的、公開的信息交換提供了堅實的保障。

信息建模、互操作性和訪問

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信息建模框架（圖源：OPC基金會組織）

OPC UA對適用于許多常見工業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范化的方式訪問CNC設備的狀態，極大地簡化了不同系統間的集成過程。

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訪問機制發現和查詢。此外，OPC UA還能夠執行任務或調用目標設備上的域特定API。

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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，二是發布-訂閱 (Pub-Sub) 模式。

OPC UA信息模型訪問 (圖源：OPC基金會組織)

當OPA UA于2008年首次發布時，客戶端-服務器模式是信息交換的主要模式。OPC UA的設計受其歷史發展的影響。客戶端-服務器模式基于TCP傳輸和HTTP/SOAP。

具有請求-響應的OPC UA客戶端-服務器模式

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復雜性加劇。

為了優化這些場景和訪問模式，OPC基金會在其規范中引入了發布-訂閱模式。在發布-訂閱模式中，生成信息的設備可以將數據發布到“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。

OPC UA發布-訂閱訪問模式

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。

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。發布-訂閱模式的優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安全性

OPC UA在信息傳輸中通常采用TCP/IP協議 (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。

跨平臺與運行時環境的自由

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的生態系統中。

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，如Linux。軟件的部署可以從open62541或S2OPC協議棧等開源項目開始。而眾多商業產品的加入則進一步加速了開發進程。

與OPC UA和TSN的確定性通信

在工業應用中，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，實現了節點間的確定性通信。

雖然TSN的開發是獨立于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的發展，OPC基金會引入了層間控制功能，允許高優先級的信息傳遞得到優先處理。OPC UA和TSN可以協同工作，以實現可互操作的、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。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4.0解決方案帶來了實時控制的可能性。

打造先進的OPC UA解決方案

OPC UA是一種為工業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

工業應用處理器，如運行Linux的Layerscape LS1028A

擁有面向OPC UA的商業軟件支持選項以及跨平臺的開源版本。

審核編輯：劉清