工业物联网软件在制造业的未来

顶级工业物联网(IIoT)连接框架标准是OPC基金会的OPC统一架构(OPC UA)和对象管理集团(OMG)的数据分发服务(DDS)。两者都在工业系统中得到广泛采用，尽管不是同一部门。

每个系统都不同于当今许多使用简单架构的离散自动化系统。可编程逻辑控制器(PLC)通过现场总线连接设备。PLC控制设备并管理上游与高级软件(如人机界面(hmi)和数据历史记录)的连接。工厂的软件很简单。它读取传感器，执行逻辑，并驱动执行器，从而实现重复操作。工厂有一系列的工作单元，每个单元都有几十个设备。

为什么设计在改变

传统的PLC和HMI设计在过去三十年中一直发挥着良好的作用。然而，它可能撑不过下一次危机。为什么?处理器速度和简单的互连提供了更强大的计算资源。以plc为中心的工作单元设计可以构建可靠的系统，无休止地重复操作。不过，他们并不是真正的“聪明”。他们不能很好地适应变化。他们无法利用计算和网络容量的爆炸式增长。简而言之，它们没有提供通向智能软件的途径，而是更复杂的软件。

工业物联网具有改变工业系统的潜力。要做到这一点，它必须在工作单元、工厂和前台共享数据。当然，事情没那么简单。普遍的数据使用需要新的架构和新的连接方法。

OPC UA和DDS解决的问题完全不同。硬件工程师使用OPC UA，因为它使设备连接变得简单。系统架构师使用DDS是因为它使用一致的模型跨越系统层。DDS和OPC UA是不同的，但这不是选择正确的问题;他们不竞争。

事实上，人们越来越重视如何在未来共同构建一个强大的工业通信架构。真正的挑战是决定需要解决哪个问题。这使得理解OPC UA和DDS的功能变得至关重要。确定什么时候单独使用DDS，什么时候单独使用OPC UA，以及什么时候使用两种框架的组合是很重要的。

OPC UA与TSN对接

在离散制造领域，OPC UA和时间敏感网络(TSN)提供了解决“现场总线战争”的潜在途径。OPC UA用于将专用设备集成到工作单元中，如传送带、传感器、重复机器人和驱动器。它可以将工作单元连接到hmi和历史学家等软件。它通过建模设备并允许工厂技术人员和制造工程师通过PLC控制器协调这些设备来实现这一点(参见图1)。

与其说工作单元是编程的，不如说是配置的。制造工程师或技术人员使用各种设备来实现单元中的功能。这些设备都是标准型号，所以工厂不局限于一家供应商。OPC UA系统是设备和现有模块(如数据历史学家和hmi)的组合。这种设计使组装设备的工作单元变得容易，而且只需要很少的软件工作。

OPC UA通过改变从发布到客户端/服务器(请求/应答)的通信模式，将工作单元数据连接到系统范围的数据。要接收数据，应用程序或高级客户端必须发现并连接到服务器。此体系结构不是为支持编程团队而设计的。例如，转换pubsub和客户端/服务器会在不同级别上呈现不一致的编程模型。它不允许团队预先定义新的软件接口或共享数据类型。如果没有这些，OPC UA就不能为全系统软件提供一个“系统真相”的来源。

OPC UA最适合将设备集成到工作单元中，尽管OPC UA可能会使试图构建复杂系统软件的团队受挫。

DDS支持系统软件

另一方面，DDS的目标是构建分布式软件应用程序的团队。DDS的第一个应用是智能机器人以太网反馈控制。DDS随后扩展到软件密集型分布式应用，如自动驾驶汽车和海军作战系统管理。

它的基本目的是将软件应用程序组合成具有一致模型的复杂系统的系统。大多数DDS系统将“功能性”人工智能与10到50个应用程序和设备结合在一起，但一些DDS系统由数十万个设备和应用程序组成，这些设备和应用程序由数千名程序员编写。

理解DDS的关键是认识到分布式系统基本上是并行的，并且系统架构必须与现实相匹配。这并不新鲜;当前分布式控制系统(DCS)的核心是管理时间片和控制循环的控制执行引擎。所有数据都存储在“沙盒RAM”中，因此进程可以访问任何数据，而无需进行不必要的交互。DCS提供了一种环境，可以将功能块组合到一个盒子中并行的、确定性的反馈循环中。

DDS采用相同的概念并进行分发。DDS实现了一个以数据为中心的共享“全局数据空间”。这意味着所有数据似乎都存在于每个设备和算法中。当然，这是一种错觉——所有的数据不可能无处不在。DDS的工作原理是跟踪哪个应用程序需要什么数据以及何时需要，然后交付。因此，应用程序实际需要的数据会及时出现在本地内存中。

数据中心的本质是通过每个设备和每个算法在任何时间以相同的方式在每个级别即时本地访问任何东西。最好将其视为分布式共享内存，类似于DCS沙盒RAM。没有服务器、对象或特殊位置。它是一个跨系统的并行软件架构。

DDS关注的是数据中心，而不是模式。虽然大多数标准使用pubsub，但该标准还指定了请求/应答，并且一些供应商支持排队。应用程序以多种方式交互，但仅与共享分布式内存交互，而不是直接交互。DDS还定义了系统接口(数据类型)和服务质量(QoS)流控制。它使用独立于模式的透明且一致的系统范围架构集成模块。这类似于为企业提供动力的以数据为中心的系统“真相”数据库的连接。

然而，DDS并不为设备建模。如果不编写代码，工厂工程师和技术人员无法将设备组合成工作单元。

你应该使用OPC UA，还是DDS，还是两者都用?

图3:IIC的工业互联网连接框架(IICF)是业界对连接技术最全面的分析。它包括对最常见的工业物联网技术的详细评估，包括OPC UA和DDS。它还提出了将它们一起使用的体系结构。提供:工业互联网联盟(IIC)[/标题]

系统也可能需要由可互操作的设备构建。幸运的是，这并不是一个全有或全无的决定;DDS、OPC UA和TSN可以协同工作。对象管理小组(OMG)是工业互联网联盟(IIC)的上级组织，最近批准了一项将DDS与OPC UA集成的标准。OMG和OPC基金会正在制定将TSN与DDS和OPC UA结合使用的标准。DDS供应商正在开发简单的配置工具。

IIC开发了一个集成架构，并在制造应用中使用OPC UA，在电力和医疗保健等应用中使用DDS。一些人使用OPC UA和DDS，如IIC安全索赔评估测试平台和IIC智能工厂机器学习预测维护测试平台。将可互换设备的灵活性与强大的软件开发环境相结合并不遥远。

真正的挑战是完全理解OPC UA和DDS如何在先进的制造环境中工作。许多人很难定义这些技术是做什么的。为了在未来保持竞争力，研究和提问以确保选择正确的平台或组合是至关重要的。

斯坦·施耐德他是美国科学院的副主席工业互联网联盟(IIC)他是CFE媒体的内容合作伙伴，也是实时创新(RTI)．由内容副经理艾米丽·冈瑟编辑，控制工程， CFE传媒，eguenther@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:数据分发服务(DDS)， OPC统一架构(UA)

何时使用OPC UA和DDS框架

何时使用两种标准框架的组合

定义如何DDS和OPC UA。

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