人工智慧物聯網AIOT文章分享
人工智慧物聯網AIOT-026
先知科技總經理 高季安
August 15, 2024
在我們的物聯網通訊協定系列文章中，上一篇我們已經對MQTT協定進行了詳細介紹，這個輕量級且高效的通訊協定已經在許多物聯網應用中發揮了巨大作用。今天，我們將轉向另一種專為工業自動化設計的強大通訊協定——OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）。OPC UA不僅是一個在工業自動化領域中廣泛採用的協定，它的設計允許從機床到企業信息系統之間的無縫數據交流，支持跨平台的操作。
這篇文章將深入介紹OPC UA的核心概念、架構以及它如何解決工業自動化中的數據交換問題。我們將探討它如何在確保數據傳輸安全和可靠的同時，支持複雜的數據型態和豐富的交互操作。不僅如此，OPC UA的擴展性和靈活性使它成為連接現代工業設備和企業系統的理想選擇，無論是在製造業、能源監控還是智慧城市應用中，OPC UA都扮演著至關重要的角色。接下來，讓我們一起深入了解OPC UA的世界，看看它如何成為工業4.0的重要推手。
一、OPC UA簡介
OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）是一個工業通訊協定的進化版，它不僅在工業自動化領域中扮演著重要角色，還為物聯網和工業物聯網（IIoT）的實現提供了堅實基礎。OPC UA是從其前身OPC Classic發展而來，其目標是解決舊有協定中的一些局限，如依賴於Windows平台的DCOM技術，以及不足以應對當今跨平台和網路安全需求的問題。
OPC UA引入了多項新的特點和功能，其中最顯著的是它的跨平台能力，這使得OPC UA不受作業系統的限制，能在各種硬件和操作系統上運行，從嵌入式系統到企業級服務器。此外，OPC UA內置的安全性功能提供了資料加密、完整性檢查和用戶身份驗證，確保數據傳輸的安全和可靠。
另一項重要的創新是OPC UA的資訊模型能力，它支持複雜的資料結構和關聯性定義，這使得它可以模擬幾乎所有工業設備和系統的行為和結構。這一點對於實現高級的監控和控制策略、資產管理和預測性維護至關重要。
OPC UA的另一個亮點是它的擴展性，允許無縫集成新的設備和應用，而不會破壞現有系統的運作。此外，OPC UA支持事件和歷史數據的管理，這不僅增加了系統的功能，也為分析和優化過程提供了支持。
二、OPC UA 機制
在當代工業自動化與智慧製造領域中，OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）協定扮演著一個關鍵角色。這一通訊協定的設計目的是為了提供一個安全、可靠且互操作性強的數據交換橋梁，連接從場地層的裝置到企業級管理系統的各種應用。
圖1. OPC UA 架構
OPC UA的架構基於一種標準化的方法，這種方法能夠跨越不同的硬件和軟件平台，允許數據的流通無需特定於供應商的限制。它被設計來支持從小型微控制器到大型伺服器的廣泛裝置，這使得它特別適合用於複雜的工業環境中。
在OPC UA的運作模型中(如圖1)，最基本的組件包括數據源（如PLC和感測器）和數據消費者（如SCADA系統、企業資源計劃系統ERP和大數據處理應用）。數據源負責從工業環境中收集原始數據，這些數據通過OPC UA伺服器進行加工和轉發，最終由數據消費者進行分析和處理。
例如，圖控SCADA系統可以實時監控生產線上的機械運作情況，分析機械的運行數據來預測潛在的設備故障。這種預測性維護可以顯著降低停機時間和維護成本，提高生產效率。
OPC UA的另一個優點是其安全性。協定內建了多種安全機制，包括訊息簽名和加密，用戶身份驗證，以及訪問控制。這些特性確保數據在傳輸過程中的安全性和完整性，防止未授權訪問或數據篡改，這在關鍵基礎設施的管理中尤其重要。
在技術實現方面，OPC UA支援豐富的信息模型功能，允許廠商在OPC UA命名空間中定義自己的數據模型。這使得從不同來源聚集的數據能被統一建模和解釋，大大增強了系統的互操作性和數據整合能力。
例如，在一個典型的工業自動化場景中，PLC從生產線的各種感測器收集數據，這些數據經過OPC UA伺服器的處理後，可以被用來監控製造過程、調整生產參數，或是用於質量控制。數據的實時分析和反饋可以幫助決策者及時調整生產策略，以應對市場需求或原材料供應的變化。
在圖1中所示的例子中，OPC UA作為一個中間件平台，不僅簡化了不同裝置和系統之間的通信，也為高級應用如大數據分析和雲計算提供了數據支持。透過這種方式，OPC UA不僅提升了工業自動化的靈活性和效率，也為企業創造了新的增值途徑，如透過數據分析優化運營策略和提升能效。
總之，OPC UA提供了一個強大的、標準化的工具，能夠連接和自動化從地板到雲端的工業操作。這一開放的通訊協定已成為智慧製造和工業4.0戰略中不可或缺的一環。
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