工业4.0开放平台通信统一架构OPC UA实践

概述了OPC UA；介绍如何操作已经建立好的OPC UA信息模型；OPCA的应用程序架构和系统架构，*后本书对OPC UA协议子集进行介绍，并对OPC UA与传统OPC的性能进行了对比。对于那些需要进一步查询OPCUA详情的读者，本书的附录给出了参考。

米里亚姆·施莱彭（Miriam Schleipen）博士在2007年至2011年期间担任卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）研究助理，并于2012年以 “制造执行系统（MES）的自适应性和语义互操作性”研究课题获得了博士学位。

自2005年以来，Miriam Schleipen博士一直在Fraunhofer IOSB研究所（前身为工程与生物信息处理（IITB）研究所）先后负责“工程与互操作性”“控制系统和工厂建模”领域的研究工作，并担任“工业4.0和互操作性”课题的首席研究员。她积极参与针对控制系统/制造执行系统（MES）/制造过程互操作性（工业4.0、AutomationML和OPC UA）方面的自动优化概念和方法的研究，并领导相关的工业研发项目。自2017年以来，她一直在西门子数字工业集团担任软件架构师。

Miriam Schleipen博士是德国和国际（标准化）委员会的活跃成员，并被公认为该领域内的工业4.0专家，拥有80多篇公开发表的论文和专著，并多次参加相关展会的演讲和研讨。

译者序
前言
作者简介
第1章　OPC UA—工业4.0基础 1
1.1　OPC UA与通信协议 2
1.2　导入OPC UA的步骤 3
1.3　这就是全部吗 3
1.4　差异化 4
1.5　展望 5
1.5.1　趋势：SoA 5
1.5.2　趋势：服务到服务 5
1.5.3　趋势：片上OPC UA 5
1.5.4　未来：基于TSN的OPC UA 6
第2章　OPC UA基础理论 7
2.1　应用架构 8
2.1.1　场景1：独立的内部OPC UA服务器 10
2.1.2　场景2：共享外部软件OPC UA服务器 11
2.1.3　场景3：共享中间件OPC UA服务器/外部网关 12
2.1.4　场景4：聚合软OPC UA服务器 12
2.1.5　场景5：不同网段聚合软OPC UA服务器 14
2.1.6　场景6：外网多重聚合软OPC UA服务器 14
2.1.7　场景7：外网聚合软OPC UA服务器 15
2.2　OPC UA 行业伴随标准 16
2.3　OPC UA安全性实践 20
2.3.1　IT安全基础理论 20
2.3.2　OPC UA的安全机制 21
2.3.3　实践与已知挑战 23
2.4　OPC UA功能子集、一致性测试和认证 26
2.4.1　OPC UA功能子集 26
2.4.2　一致性测试工具 31
2.4.3　认证 33
2.4.4　当前进展、经验与认知 34
2.5　OPC UA信息模型及建模 39
2.5.1　节点类型 41
2.5.2　类型定义 43
2.5.3　引用类型 43
2.5.4　信息模型实例 44
2.6　OPC UA在生产线中的导入 48
2.6.1　制造企业的新机遇 48
2.6.2　企业边际条件定义 49
2.6.3　导入流程 52
第3章　OPC UA与产业升级 56
3.1　OPC UA对于控制层的意义及构想 57
3.1.1　实时性 58
3.1.2　PLCopen：控制层映射及功能块 59
3.1.3　OPC UA发布/订阅模式 61
3.1.4　行业信息模型 62
3.1.5　基于SoA-PLC的TwinCAT理念 63
3.1.6　控制器中OPC UA的现状与未来 65
3.2　西门子控制器中的OPC UA 66
3.2.1　西门子与OPC UA 66
3.2.2　OPC UA与PROFINET 67
3.2.3　SIMATIC S7-1500控制器与OPC UA 67
3.2.4　S7-1500内置OPC UA的替代选项 73
3.3　OPC UA与现有设备升级 75
3.3.1　OPC UA全面实施的意义 76
3.3.2　方式1：快速大规模移植 76
3.3.3　方式2：渐进式移植并支持更多的现有协议 77
3.3.4　方式3：基于OPC UA网关实现系统移植 78
3.3.5　OPC UA与缺乏软件接口的设备 80
3.3.6　OPC UA在非工业领域中的应用 81
3.4　嵌入式系统中的OPC UA 83
3.4.1　嵌入式微处理系统的分类 85
3.4.2　嵌入式系统的限制 87
3.4.3　嵌入式系统中OPC UA协议栈的系统需求 89
3.4.4　嵌入式系统中OPC UA协议栈的实现策略 91
3.4.5　结构化编码 92
3.4.6　时间确定性与调度 92
3.4.7　通信接口的解耦 93
3.4.8　内存分配 94
3.4.9　应用程序与OPC UA解耦 95
3.4.10　消息处理 95
3.4.11　地址空间分配 97
3.4.12　方法调用与中断 99
第4章　开发指南 101
4.1　Unified Automation公司OPC UA开发环境 102
4.1.1　开源软件或商用软件 102
4.1.2　开发语言 103
4.1.3　操作系统 104
4.1.4　OPC UA功能选择 104
4.1.5　使用性 106
4.1.6　接口设计 106
4.1.7　可扩展性 108
4.1.8　性能与资源 109
4.1.9　现有设备的移植 109
4.1.10　测试工具与性能比较 110
4.2　Prosys OPC开发工具与库函数 111
4.2.1　Prosys OPC UA Java-SDK 112
4.2.2　基于Java-SDK的测试工具 120
4.2.3　Prosys OPC UA Historian工具 122
4.2.4　Prosys OPC UA Modbus服务器 124
4.3　基于open62541的OPC UA开源实现 128
4.3.1　开源软件的优势 128
4.3.2　开源软件的劣势 130
4.3.3　open62541开源项目的目标 131
第5章　OPC UA应用案例 133
5.1　Candy Hoover公司的案例分析 134
5.1.1　生产场景 135
5.1.2　品质控制场景 137
5.1.3　应用程序说明 138
5.1.4　OPC UA架构 140
5.1.5　OPC UA的使用和展望 141
5.2　福伊特公司—用户角度的OPC UA 142
5.2.1　引言 142
5.2.2　工业4.0项目的企业内部挑战 143
5.2.3　基于OPC UA的工厂互联 146
5.3　Festo控制器与OPC UA功能 152
5.3.1　目的和技术要求 152
5.3.2　固件升级 153
5.3.3　设备和能效数据收集 158
5.4　基于OPC UA与AutomationML 的PLUGandWORK 160
5.4.1　PLUGandWORK 和工业4.0 160
5.4.2　OPC UA 与AutomationML 161
5.4.3　具体实现 163
5.5　服务工程化的敏捷管理 165
5.5.1　动机 165
5.5.2　技术现状 166
5.5.3　系统构架的立场和视角 167
5.5.4　SERVUS方法 170
“即插即用”技术时代已来临 177
基于时间敏感网络的OPC UA 183
缩略词 189
参考文献 192

OPC UA技术为终端用户提供了多种可能性，但这些可能性对于该领域的初学者并不总是一目了然。用户在首次接触OPC UA时，往往会被众多的关键字所迷惑，从而无法确定OPC UA的哪一部分与具体应用紧密相关。OPC UA技术的复杂性以及广阔的覆盖领域对于用户而言既是福音，同时也可能成为诅咒。一方面，OPC UA标准、示例程序以及众多的文献呈现了所有的技术细节。另一方面，恰恰是这些海量的信息对于普通的终端用户反而构成了巨大的挑战，他们往往无法得知该从何处入手。深入理解OPC UA技术并不是一件容易的工作，此时用户常常求助于外部专业咨询人员或者培训机构。
自2006年以来，编者做过多个不同的OPC UA项目，从Beta版的技术标准制订到如今丰富的产品与技术实现，从中不断地接触到了这项强大技术的各种新细节。然而，伴随着新的技术标准和应用场景，仍然需要不断及时更新这些知识。在Fraunhofer IOSB研究所工作期间，我们帮助众多的用户切换到使用OPC UA技术，从而更深刻地理解了成功应用该技术的一些关键因素。例如技术实现的细节往往并不是决定性的因素，更重要的是对市场概况的初步了解，比如当前有哪些供应商、开发工具和技术支持，以及其他用户的实现策略等。
有时对OPC UA技术全貌有一个初步但全面的了解，比纠缠于复杂的技术细节意义更大。当某个厂商出于市场目的宣布支持OPC UA时，我们需要了解OPC UA而不局限于文本上的定义，更重要的是了解其背后隐藏的信息。为了能够准确评估此类信息，用户需要掌握一定的OPC UA基础理论。本书的目的就是希望能够提供实际应用OPC UA时所的基础知识，包括用户案例、经验教训以及实践等。开发人员以及管理人员都可以从本书中获取所需信息。阅读时，读者既可以通读本书，也可以挑选特定主题章节快速查阅。本书的目的并不是要取代OPC UA标准来对所有细节进行详细解释，而是希望能够在短时间内向读者展现OPC UA核心内容的一个概览。
当编者开始投身于OPC UA技术时，就希望能够拥有这样一本入门指导，感谢所有参与者对本书编撰的通力合作。

Miriam Schleipen博士