工业4.0和物联网的先驱

工业4.0和物联网(IoT)是需要设备和服务之间高度联网和通信的概念。从传感器到IT级别，必须交换大量数据。相应的基于pc的控制协议和标准使其非常适合这项任务。

促成物联网和工业4.0可行性的另一个基本因素是面向服务的架构(SOA)可编程逻辑控制器(PLC)。通过web服务访问PLC并不是什么新鲜事，那么什么是SOA，什么是“SOA-PLC”中的新内容呢?它能提供什么附加价值?

实现快速、动态生产的工业4.0概念需要设备和服务之间适当的网络和通信。他们必须能够直接相互沟通。传感器、测量设备、射频识别(RFID)芯片、plc、HMI (human machine interface)、MES (manufacturing execution system)、ERP (enterprise resource planning)系统等都为企业提供重要的生产数据。在传统的控制体系结构中，数据请求是事件驱动的或周期性发起的，并且总是响应来自上面的请求，即来自客户端的请求。较低的级别总是充当服务器并进行响应。例如，可视化可以从PLC请求状态数据或将新的生产配方传输到PLC。第一步是将电子传感器信号转换为数字信息。接下来是在PLC内分配时间戳，并通过进一步的服务将信息传输到MES-IT级别(图1)。

有了工业4.0，这种严格的级别分离和自上而下的信息流方法将开始软化和混合。在智能网络中，每个设备或服务都可以自主地发起与其他服务的通信。

B2b b2m m2m

一般来说，工业4.0和物联网组中定义的所有通信场景和用例都可以从抽象的角度区分为通信架构的两种上下文中:一方面，“硬实时”中的服务(例如自动化上下文中，用于控制目的的确定性PLC);另一方面，“软实时”上下文中的服务，例如在IT上下文中(图2)。

正如工业4.0 WG2执行委员会所定义的那样，这恰好导致了三种潜在的沟通转变:

1. 企业对企业(B2B)通信:两个业务流程相互通信。示例:ERP应用程序与MES应用程序交换信息。HMI和MES、MES和MES、传感器和云之间的交换，可能需要几毫秒到几分钟的时间。
2. 业务到机器(B2M)通信:“软实时”流程与“硬实时”流程通信。示例:业务应用程序与机器交换信息。例如，HMI和PLC之间的实时数据交换，或MES和PLC控制器之间的实时数据交换所需的时间可能从几毫秒到几分钟不等。
3. 机器对机器(M2M)通信:两个进程在自动化上下文中以“硬”或“软”实时方式彼此通信。示例:机器人平台控制器与手持机器人控制器水平交换控制信息。交换必须发生在一个硬的、确定的实时周期内，范围从µs到几毫秒。例如:两个控制器水平快速交换数据(在“软”实时中)，循环地和现场总线独立地交换数据。在这里，决定论可以被视为具有通信过程可能满足或不满足的某些要求的服务质量(QoS);这些要求将由保证的持续时间来定义，例如100µs的响应时间。

术语“M2M”已经在移动无线电通信中使用，它指的是通过移动通信与it过程的设备接口。在这种情况下，人们普遍认为只要使用SIM卡，M2M就会出现。

无论最终用什么术语来定义这三个类别，事实是，在物联网和工业4.0中，通信将不再基于纯粹的数据和数据通信的互操作性。它将侧重于信息模型的交换，因此，语义互操作性。一个重要的因素是传输完整性和个人数据或服务访问权的安全性。所有这些需求都是OPC统一架构(OPC UA)的关键方面。它包含描述语言和信息模型的通信服务。作为IEC 62541标准，OPC UA旨在映射其他组织的信息模型，例如BACnet、PLCopen、IEC 61850、AIM AutoID和MES-DACH等等。根据德国联邦信息安全办公室BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik)的说法，集成到OPC UA中的“设计安全性”明显优于其他协议，因此正在当前项目中进行评估，因为它与工业4.0高度相关。

由于数据及其结构和用途(元数据)的标准化整合，OPC UA特别适合于机器之间的分布式智能应用，而不需要更高级别的智能或中心知识。OPC UA组件的功能是可扩展的，并且已经在传感器级别可用(例如风力涡轮机制造商阿海珐目前使用的传感器内存，从240 kB闪存和35 kB RAM开始)，直到SAP系统。

PLCopen: PLC中的OPC UA客户端功能

对于“发起通信”任务，PLC控制器必须有一个客户端组件——理想情况下是作为标准接口。2006年10月，倍福自动化提出基于OPC UA定义PLCopen通信块。三年后，这导致了PLCopen和OPC UA联合工作组的形成。2010年，IEC 61131-3信息模型在OPC UA(服务器)中的映射被采纳为通用规范。在实践中，这意味着一个符合IEC 61131-3的PLC程序可以使用不同制造商的不同专有工程工具加载到PLC上。控制器通过OPC UA以语义相同的方式对外提供数据和信息，例如用于可视化和MES/ERP任务。这大大减少了工程工作。例如，在一个具有20个数据点的功能块实例中，不再将每个单独的数据点链接到可视化掩码或MES系统中，现在只需链接单个实例对象就足够了，而且即使对于不同的制造商，也可以以相同的方式做到这一点。

进一步的建设性小组工作导致了2014年4月采用PLCopen规范“OPC UA客户端功能块用于IEC 61131-3”的下一步。通过这种方式，控制器可以在通信中发挥积极的主导作用，作为通常的角色分布的补充或替代(图3)。

因此，PLC可以与其他控制器水平交换复杂的数据结构，或在MES/ERP系统内的OPC UA服务器中垂直调用方法，例如检索新的生产订单或将数据写入云端。这使得生产线能够独立工作(图4)。

客户意识到这些功能块的潜力。

嵌入式的例子

来自Zweckverband Wasser和Abwasser Vogtland (Vogtland水和废水协会)的Silvo Merz使用紧凑型嵌入式PC控制器在300个当地水管理系统之间形成智能网络。实际对象，如泵，在IEC 61131-3 PLC控制器中被建模为具有交互选项的复杂对象。由于OPC UA服务器集成在所使用的控制器中，因此这些对象可以自动作为复杂的数据结构与外部世界进行语义互操作性。其结果是一个去中心化的智能，它可以独立地做出决策，并将信息传输给它的“邻居”，或者为自己的流程查询状态和流程值，以确保无故障的流程周期。通过标准化的PLCopen功能块，设备独立地发起从PLC到其他流程设备的通信，作为OPC UA客户端，同时能够响应它们的请求或来自更高级别系统的请求，如监控和数据采集(SCADA)、MES和ERP作为OPC UA服务器。

根据Merz的说法，之前的专有解决方案被集成了OPC UA客户端和服务器的嵌入式控制器所取代，“从而节省了超过90%的初始许可成本。”

展览的例子

在2013年汉诺威工业博览会上演示了一个调用OPC UA方法的实际场景。PLC作为OPC UA客户端，调用iTAC公司MES系统中的方法。RFID代码和过程数据作为输入参数传输，在MES系统中注册，检查，并分配“OK”或“Failure”等级。调用方法确保了性能和数据一致性(图5)。

SOA-PLC

随着IEC 61131-3在OPC UA服务器上的映射和PLCopen功能块的使用，PLC厂商已经奠定了重要的基础。从PLC调用其他设备中的OPC UA服务的选项是B2M场景的使能技术。例如，PLC可以调用机器视觉相机应用程序或RFID阅读器中的服务，直接与PLC通信，或将大数据应用程序的数据传输到云端。PLC可以调用这些方法，但是它自己如何以易于处理的方式提供服务呢?

统一的编程软件提供了实现IEC 61131-3、c++和Matlab/Simulink(来自the Mathworks)模块的选项，将它们加载到不同的CPU内核中，并以不同的实时运行它们，同时确保它们将继续可靠地相互交互。其基础是软件的模块语言，该语言描述了用于过程参数或方法的模块的特征。

对于PLC程序员来说，实现非常简单:在OPC UA服务器中提供一个PLC方法(具有可自由选择的输入/输出参数)作为服务调用，通过添加简单的“Pragma”指令行集成到PLC控制器中。基于OPC UA协议集成的IT安全和权限，每个OPC UA客户端都可以浏览OPC UA服务器并调用所需的服务，不受操作系统和编程语言的影响，确保数据的一致性(图6)。

SOA-PLC优势:一致的服务

目前，MES级别和PLC之间的数据交换通常通过耗时的握手过程进行。例如，MES系统向控制器发送食谱传输信号，PLC确认准备就绪。一旦接收到配方数据，就会确认传输。SOA-PLC可以在一次通信中将数据传输到控制器:数据值不再在多个事务中交换，而是作为一个具有输入参数(配方)和输出参数(由PLC确认)的服务进行处理。换句话说，OPC UA使远程过程调用(RPC)在已编程的PLC功能块中可用。这将大大缩短PLC和MES系统之间的通信往返时间，并可导致更高的生产吞吐量。此外，它将大大降低车间和顶楼之间数据链的工程成本。

现状及未来展望

SOA-PLC不仅仅支持将web服务直接导入PLC，还可以通过虚拟专用网络(VPN)确保安全性。它包括面向对象的数据通信，用于实时和历史数据、警报和服务(方法)——包括与服务和数据层所需的安全性相关联的相应元数据，以及信息模型的建模功能——所有这些都基于国际IEC标准。

如今，OPC UA服务器和客户端功能集成到控制器中，实现了智能网络的实现，同时确保了对服务层的访问权限的高安全标准。在未来，信息模型的交换将变得越来越重要。这样，PLC就不应该再以带有过程数据的OPC UA的IEC 61131-3控制器的形式出现在外界面前，而是应该根据测量设备制造商组织的规范，以电流表的形式出现。嵌入式控制器中使用的操作系统将不再从外部可见;出于安全考虑，所有港口都关闭了。该设备将仅通过OPC UA提供其SOA服务，并将安全性扩展到服务和数据级别。除了数据和方法调用，“通过OPC UA传输文件”提供了有趣的选项，不仅用于本地离线测量数据记录，还用于其他任务，如设备管理。

作为DKE(德国电气、电子和信息技术委员会)工业4.0标准化路线图上唯一iec标准化的SOA架构，OPC UA有潜力将自己确立为工业4.0和物联网应用中数据和信息交换的事实标准。因此，从传感器到IT系统的安全、水平和垂直通信在今天已经是可行的。

具有集成OPC UA客户端和服务器的SOA-PLC甚至可用于最小的嵌入式PC系统。基于pc的软件中的控制架构可以在各种设备类别上运行，结合I/O终端的大信号种类和具有集成安全性的软件，为所有未来的工业4.0需求提供具有可扩展性能的平台。

- Stefan Hoppe，倍福TwinCAT产品经理，PLCopen和OPC工作组主席，OPC欧洲总裁;由Mark T. Hoske编辑，他是CFE Media的内容经理，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

关键概念

• 面向服务的体系结构PLC是工业4.0和物联网的先驱。
• 从传感器到IT级别，必须交换大量数据。
• 基于pc的控制协议和标准会有所帮助。

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这篇文章包含了更多的信息，出现在11月控制工程印刷版和数字版。

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