OPC UA和PROFINET、ETHERNET/IP等工业以太网的比较

前面我们介绍了工业网络的整体架构：

工业通讯网络层级全解读，解析工业网络的自动化金字塔

也介绍了PROFINET、ETHERNET/IP等工业以太网：

技术解读PROFINET、Ethernet/IP等7种主流工业以太网

同时也介绍了面向未来的工业通信—OPC UA:

OPC UA-面向未来的工业通讯规范

今天我们从开发的角度体系聊一聊OPC UA与工业以太网的比较~

01 五层通信架构中的OPC UA

02 OPC UA和工业以太网

03 OPC UA知识与应用案例



01 五层通信架构中的OPC UA

在整个制造流程中，通常会使用涉及多种异构网络的工业以太网协议（例如EtherNet / IP，PROFINET或EtherCAT），以满足特定的拓扑要求，通信速度或延迟保证。尽管这些通信协议都是开放的，但它们通常并不兼容，这导致他们只能构成一个无法相互“通话”的碎片化网络。
OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）旨在通过允许使用不同协议并在不同平台（例如Windows，Mac以及Linux）上运行的工业设备相互通信来解决此问题。而且，OPC UA超越了工业以太网的范围，它包括从自动化金字塔最低层开始的设备——处理现实数据的现场设备，诸如传感器、执行器和电机等——一直到最高层，包括例如SCADA（supervisory control and data acquisition），MES（manufacturing execution systems）和ERP（enterprise resource planning）系统，以及云计算。



OPC UA允许自动化金字塔各个级别的工业设备（以不同的协议和不同的平台运行）相互通信。

OPC标准是由OPC基金会管理的一系列规范，这些规范定义了客户端与服务器或服务器与服务器之间的接口，包括访问实时数据，监视警报和事件，访问历史数据以及其他应用程序。原始的OPC标准（现称为OPC Classic）只能用于Windows操作系统。随着OPC UA的引入，该技术变得与平台无关。
OPC UA允许来自不同供应商和不同平台的网络进行通信的能力，来源于其数据建模方法：OPC UA不仅保留原始数据本身（例如数值“15”），还保留其上下文以及数据周围的任何限制或参数（例如“摄氏度”）。通过标准化的语义描述，任何启用OPC UA的设备都可以定位和使用所需的数据。OPC UA中最重要的四个数据模型是数据访问（DA），警报和条件（AC），历史访问（HA）和程序（Prog）。这些基础模型也可以用作其他应用程序或特定过程的数据模型基础。
OPC最初是采用客户端-服务器通信模型的，但是在2018年，增加了发布-订阅（PubSub）扩展。客户端-服务器版本应对基于TCP / IP的点对点通信，不具备实时功能。PubSub版本应对一对多通信（一个发布端可以对应任意数量的订阅端），并且可以在时效性网络（TSN）上使用，从而使OPC UA可以提供硬实时通信——具有与确定性工业以太网协议匹敌的周期时间，延迟和时间抖动。


02 OPC UA和工业以太网

这就引出了一个问题：OPC UA会取代工业以太网吗？
虽然使用TSN的OPC UA与确定性实时工业以太网协议之间显然存在重叠，但OPC UA在短时间内还不太可能取代工业以太网。原因之一是因为这两种技术专注于不同的效果。即使通过TSN获得实时通信功能，OPC UA的优势实际上仍然在于它允许不同的网络进行通信，尤其是在工厂级和企业级之间的。另一方面，工业以太网主要为现场设备和控制器之间的通信而设计。两者可以并且很可能将会长期共存。



西门子的这张图显示了OPC UA和PROFINET如何在制造环境中一起工作

但是，随着工业4.0和工业物联网（IIoT）的推广，一些专家相信带有TSN的OPC UA可能会开始在现场级应用上逐步取代工业以太网。实际上，微软（OPC基金会的长期合作伙伴）声称，OPC UA是“受广泛认可的工业4.0关键通信和数据建模技术。” 工业4.0和IIoT都要求水平（机器对机器）和垂直（现场设备到工厂级和企业级系统）的工业网络必须进行互联互通，并且要对大量设备进行管理，进而还需要处理巨量数据。OPC UA支持水平和垂直方向的网络连接，以及对网络中各个部分（从现场到企业）的设备进行互联，并管理其中的数据。而且它是在一个独立于平台和供应商的解决方案中实现这一点的，还内置了安全性（管理访问，身份验证，消息签名，加密和日志记录的方法）。


03 OPC UA知识与应用案例

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