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上海工業自動化儀表研究院，PLCopen中國組織彭瑜

在工業自動化和控制領域，從工業制造邊緣到企業再到云端正在廣泛運用語義/語義化概念數據模型等語義技術。由于語義化信息本質上描述了來自機器和過程的數據和傳感器的含義，這些信息可以被應用程序直接使用，而無需解釋或引用，這就為提高系統的整體效率、響應能力和有效性打下了堅實的基礎。這明顯與目前常用的提供非描述性數據的傳統控制器和機器獲取數據有很大差異，一改后者常用注冊表值來表達數據（例如表示溫度或工具位置的信息）而導致難以應付對數據的需求發生變化的困境。當前在工業邊緣運用語義技術比較成熟，而且還在不斷發展的有：OPCUA和OPC UA FX以及MQTT Sparkplug，它們可以提供工業邊緣到企業和云的具有語義屬性的數據通信。本文著重討論和闡述工業邊緣運用語義技術的發展。

1　構建信息模型是工業自動化領域運用語義技術的基礎

語義技術通過使用機器可理解和可處理的語義模型來提升信息的組織和處理能力。這些技術通過語義網、知識圖譜和本體論等概念，組合語義分析、自然語言處理、數據挖掘、知識圖譜和相關領域的諸多分支學科，確保系統能夠理解和解釋數據的含義，進而進行推理，而不僅僅是處理符號信息。語義技術將含義與數據和內容文件分開編碼，并與應用程序代碼分開編碼，使機器和人能夠在執行時理解、共享，以及必要時對它們進行推理。使用語義技術，添加、更改和實現新的關系或以不同的方式將程序互連，就像更改這些程序共享的外部模型一樣的方便簡單。

使系統更智能、更自主、更可進化的關鍵概念是信息模型。信息模型不僅具有表達數據，而且具有表達數據含義的能力，這就為數據和信息以機器可理解和可處理方式出現在系統中奠定了基礎。概括起來信息模型有如下特點：

（1）信息模型可以為機器所理解，而文本信息不容易被機器所理解，往往需要通過人來進行解釋。因此，信息模型賦予我們可以用機器可理解的方式共享上下文信息。

（2）信息模型可以進一步約束公開數據的含義（語義）。與自然語言中的文本描述相反，信息模型的定義可以由軟件明確地解釋，前提是軟件足夠智能來解釋基數限制。因此，信息模型賦予我們以機器可以理解的方式約束公開信息的含義（語義）。

（3）由于信息模型捕獲的信息以機器可理解的方式明確描述，人工智能軟件能夠對信息模型進行推理；還可以從現有的信息模型中自動導出（“推斷”）新的事實，或者可以驗證現有的事實。

（4）為了解決某個特定的問題，可以用一種智能軟件完全自動地得出結論的方式來描述信息，往往這些信號是不可能推理或由手動進行驗證。這是信息模型的另一個優勢。

2　在工業邊緣運用OPC UA/OPC UA FX

OPC UA正在為實現工業互操作性標準進行OPCUA框架的擴展，創建現場級的統一、一致和獨立于供應商的工業互操作性解決方案，以標準化來自不同制造商的控制器和現場設備的語義和行為，滿足工廠自動化和過程控制的所有要求，即：確定性、運動控制、儀表裝置和功能安全等。解決方案不僅用于從控制級到邊緣或到云的縱向集成，而且還作為現場設備（包括控制器、現場儀表、I/O等）之間交換過程數據的接口，即使控制器的底層現場設備使用不同的現場總線或工業以太網通信協議，也能保證它們之間的數據交換具有語義屬性。這就是2018年起OPC基金會發起的現場級通信（FLC）計劃，目標是在傳感器、執行器、控制器、企業和云之間創建開放標準的基于語義數據連接的通信環境。

為了提供現場設備和邊緣設備的信息通信，支持現場級設備即插即用的系統組態，OPC UA FX標準是在OPC UA語義/語義化語境的數據模型和特定應用的配套信息模型規范的基礎上加以擴展，具體如圖1所示。圖中海藍色部分為OPC UA的架構，深藍色為OPC UA FX的擴展架構。在FX擴展中引入自動化組件（Automation Component），指代I/O、儀表、運動控制等運用在離散制造和過程控制等現場底層的設備和組件的信息模型和連接設備，并用離線工程（Offline Engineering）表達。UA FX的連接需進行離線操作，先通過客戶機/服務器機制建立雙向的發布/訂閱（PubSub）連接的信息（包括兼容性檢查、參數化），以確保信息交換的可行。一旦PubSub連接準備就緒，即可投入運行。OPC UA FX的連接設備及其網絡服務和管理包括TSN、SPE/APL、5G等。

圖1 OPC UA和OPC UA FX的系統架構

在OPC UA FX中，自動化組件是執行一個或多個自動化功能，并提供在其文檔中定義的連接功能的實體。它由兩個主要的子模型組成：資產模型和功能模型。它還提供與離線工程相關的信息，以及通信能力和健康狀態等一般元數據。圖2給出了這個模型的描述。資產信息通常用于描述物理項目，但它也可以包括非物理項目，例如固件或許可證。功能性實體封裝邏輯功能，可以包括功能塊、I/O模塊功能、驅動功能、傳感器功能、執行器功能或更復雜的邏輯項。功能實體可以與資產相關，并且這種關系的表示包含在模型中。資產和功能實體都可以嵌套。信息模型還包括功能實體之間的關系。信息模型被定義為用作自動化組件建模的基礎，也可用于以OPC UA FX定義的現有的信息模型的功能性擴展。當用作基本模型時，它將需要子類型來添加特定組件或模型信息，例如變量或提供上下文。

圖2 OPC UA FX的信息模型

離線工程是自動化系統開發、運行和維護的重要組成部分。通過在離線工程對系統進行組態，使用戶在將系統部署到物理硬件之前能夠了解自動化系統的操作，這樣用戶會明確知道只要物理系統到位，系統將可靠而正確地執行控制功能。為了實現這一點，使用了所謂的描述信息塊（descriptor）。自動化組件AC的描述信息塊是一組文檔，其中包含OPCUA信息模型和可能用于組態目的的其他有用信息。信息可以是單個AC或一組AC（如機器、機器模塊或設備撬）。AC描述信息塊以包含產品和組態信息的打包容器格式交付。產品描述信息塊包含控制器的產品數據，通常由控制器供應商提供。組態描述信息塊包含諸如功能單元、通信數據集、所需的服務質量（QoS）以及一個或多個連接所需的數據等信息。組態描述信息塊是在實施工程過程中創建的，通常是為了在兩個工程工具之間共享工程信息。

安全數據也可以在控制器之間交換。為此，采用一種通過標準UAFX連接傳輸的安全協議（OPC UA Safety）。這種方法的優點是，認證機構（例如TüV）的評估和測試工作僅限于安全傳輸協議，而底層UAFX連接不需要任何額外的評估和測試。每個UAFX連接都可以通過為Client/Server和PubSub通信指定的標準OPCUA安全機制進行身份驗證和選擇性加密。OPC UA安全會話建立完成后，使用證書和私鑰的非對稱加密方式建立連接。圖3描述了3種都能實現語義信息交換的OPC UA的網絡結構：通過（a）OPC UA、（b）OPC UA+UA FX的控制器-控制器C2C（Controllerto-Controller）的統一的橫向和縱向通信，以及遷移到一個（c）由TSN和UA FX的控制器-現場設備C2D（Controller-to-Device）組成的從現場到云的連續且融合的網絡，或者由云到現場的網絡。

圖3 OPC UA的3種實現語義信息交換的網絡結構

來自OPC基金會65個會員公司的320名專家花費了4年時間，終于在2022年11月正式發布了OPC UA FX第一階段的規范版本，規范由五個部分組成：

·第80部分（OPC 10000-80）OPC UA FX的概述和基本概念。

·第81部分（OPC 10000-81）OPC UA FX的連接設備和信息模型，為滿足工廠和過程自動化的各種用例和要求，規定了基本信息模型和通信概念。

·第82部分（OPC 10000-82）OPC UA FX的聯網，描述了網絡服務，如拓撲發現和時間同步。

·第83部分（OPC 10000-83）OPC UA FX離線工程，定義描述信息塊的使用和描述信息塊共享離線工程所需信息的數據結構。

·第84部分（OPC 10000-84）OPC UA FX行規，描述了用于區分OPC UA FX功能特性的UA FX行規，用于對OPC UA產品測試其實現的OPC UA FX功能性。

為了驗證上述規范的可行性，進行了多供應商互操作性演示，其中自動化組件和網絡組件相結合，通過OPC UA和OPC UA FX擴展演示了跨供應商產品的數據交換。為此，來自不同供應商的17個控制器（其中有PLC、運動和機器人控制器，以及分布式控制系統）通過一個共同的網絡基礎設施相互連接。該基礎設施由傳統以太網交換機、以太網TSN（時間敏感網絡）交換機和使用毫米波頻率范圍的5G測試平臺組成。演示器的所有控制器通過集成的OPC UA服務器提供當前狀態和資產信息，該服務器通過中央儀表板進行查詢和可視化。所有控制器的視圖顯示這些控制器的OPC UA連接狀態，以及每個UA FX控制器的基于pubs/ub的UA FX組態連接的狀態信息。儀表板本身是交互式的，當點擊這些控制器中的任一個時，切換到資產視圖，顯示由控制器建模和披露的UA FX資產信息。為了展示UA FX擴展的可能性和優勢，在演示中模擬了一條模塊化裝瓶線，其中4臺機器單元分別用于清洗、灌裝、裝蓋和貼標，形成一條生產線。為了演示跨供應商的互操作性，這些單元都是由不同供應商提供的控制系統。

OPC基金會在2024年11月宣布完成OPC UA FX的控制器到控制器的認證程序，該項目基于OPC UA合規測試工具（UACTT），目前這一工具已擴展到現在包括350多個測試腳本，用于測試OPC UA FX功能，以及現有的OPC UA和配套規范的測試能力。驗證過程包括嚴格的測試程序，以確保控制器符合OPC基金會對性能、可靠性和互操作性的嚴格要求。通過此驗證項目，供應商獲得其控制器符合OPC UA FX標準的認證，可以與其他OPC UA FX兼容的設備構成自動化系統并無縫運行。

OPC基金會在2022年7月底啟動了第二個階段，將控制器到控制器（C2C）用例開發的概念擴展到控制器到設備（C2D）和設備到設備（D2D）。這些用例包括進一步的功能和特定設備的模型，例如運動控制、儀器儀表和分布式I/O。OPC基金會還將為OPC UA提供一個統一的通信標準，該標準可適用于從現場到云在縱向和橫向上完全擴展到所有級別的設備。不過到目前為止這些還處于開發階段的規范還沒有正式頒布，估計還要兩年左右的時間。

3　另一個具有語義功能的工業邊緣規范MQTT Sparkplug

在當今時代，提高制造業的靈活性和彈性面臨著技術系統互操作性和可擴展性的挑戰。可嘆的是智能制造和工業4.0作為這兩個關鍵方向的關鍵推動力量，目前還在廣泛使用剛性的OT和IT架構。這主要是由于目前在配置點對點連接，以及在許多不同的和不斷變化的系統（例如PLC、MES和數據分析工具）之間映射數據變量，還需要大量的手工工作。此外，當嘗試擴展經典架構時，系統和網絡基礎設施上的工作負載成為瓶頸，例如在大規模分布式智能制造/工業4.0的應用場景中，實施多個系統相互協調的狀態監控或全局性的工廠優化等。緊密耦合只適用于其設備數量具有可管理的工業控制裝置，而且系統間應該了解彼此的狀態，以達到特定級別的服務質量（QoS），例如關于確定性、可靠性和可維護性。然而，類似“即插即用”這樣的智能制造場景需要的不是緊密耦合，而是一種松散的耦合。

這就是說，要滿足技術系統日益增長的互操作性和可擴展性需求，必須使OT和IT的架構向動態和松散耦合的工業物聯網IIoT和工業互聯網方向發展，需要在空間、時間和同步諸方面將通信實體解耦。這些實體不需要相互知道其空間的位置，它們沒有必要同時處于活動狀態，它們不應該在產生事件或等待事件時被阻塞，即可以確保事件同步。這些都可以通過PubSub通信范式來實現，即來自發布端的消息向對特定主題或內容感興趣的多個訂閱端傳播。傳播由面向消息的中間件MOM（Message Oriented Middleware）處理。MOM是一種軟件或硬件基礎設施，支持在分布式系統之間發送和接收消息。在幾種能提供PubSub通信范式的實現中，MQTT在工業物聯網用例中受到越來越多的關注，并被用作OPC UA等標準和Sparkplug B等規范中的傳輸協議。其原因在于MQTT已經解決了大多數的挑戰，即針對松耦合的PubSub，專注于嵌入式設備的小占用空間，以及可以使用不可靠的低帶寬網絡。基于事件的MQTT作為一種非常高效的PubSub數據通信協議，保證了高效的開銷少的通信數據包和消息有效負載。消息包的大小僅為200KB，有助于最大限度地減少工業設備、系統、應用程序和代理之間交換的數據量，從而降低能耗。使用MQTT，設備、系統和應用程序只接收相關信息，最大限度地減少不必要的數據傳輸，這也有助于優化帶寬，降低操作成本。總之，MQTT是一種高效通信的輕量級消息傳輸協議，由于它在優化能源使用和促進智能制造的可持續性方面提供的各種優勢，它已成為從內部部署到企業或云的工業數據通信事實上的標準。此外，為保持簡單，MQTT的協議設計不指定信息或主題模型，即與數據無關。但這在工業物聯網、工業互聯網中，可能會成為一個劣勢。因此，促使采用OPC UA和Sparkplug定義MQTT主題名稱空間和有效負載結構。前者即是MTQQ over OPC UA，后者即是MQTT Sparkplug。

Eclipse Foundation托管的Sparkplug開源規范是另一種允許用戶創建和定義其公司或單位特有的數據模型，該規范為MQTT客戶端提供用于集成來自MQTT基礎設施中的應用、傳感器、設備和網關數據的框架。Sparkplug規范旨在定義MQTT主題命名空間、有效負載和狀態管理，可用于滿足實時SCADA/控制HMI解決方案的需求。Sparkplug是一種建在MQTT頂層的消息傳遞協議，使用戶能夠自由地為其應用定義語義/上下文信息。圖4為MQTT Sparkplug的協議棧。Cirrus Link Solutions公司擁有一項與Sparkplug相關的專利，并且作為Eclipse基金會Sparkplug工作組的成員，它在Eclipse知識產權政策下運作。根據該政策，Cirrus Link為最終規范授予了全球性的不可撤銷（受防御性終止條款約束）、非排他性、免版稅及可轉讓的專利許可。只要Sparkplug實現成功地通過相應的Sparkplug技術兼容性工具包TCK（Sparkplug Technology Compatibility Kit），并保持與Eclipse Foundation TCK許可證的一致性，任何制造、使用、銷售、提供銷售和導入Sparkplug實現的供應商和個人均可無償使用這項專利，也允許客戶從任何供應商那里購買他們的Sparkplug解決方案。

圖4 MQTTSparkplug的協議棧

4　比較與總結

在工業邊緣的應用中，MQTT over OPC UA和Sparkplug這兩種解決方案都旨在通過提供基于MQTT的統一接口來提高工業互操作性。Sparkplug為主機應用程序、邊緣節點和設備的數據、發現和狀態指定MQTT主題命名空間。此主題名命名空間對于所有符合Sparkplug的應用都是固定的。OPC UA將包括用于發現、狀態和語義信息的標準化主題樹，以及用于數據消息的自定義主題結構。Sparkplug接口為谷歌Cloud原生支持的二進制消息映射指定了protobuf模式。MQTT over OPC UA除了它原有的二進制映射UADP，還提供JSON映射，并得到Microsoft Azure和AWS的支持。

建立標準化的語義信息模型是OPC UA配套信息模型規范的主要目標。目前在公共網站上有85多個信息模型，這些模型正在與其他組織、行業協會和領域專家一起開發。OPC UA配套信息模型可用于各類設備、機器，以及能源和工廠自動化等各個領域。通過MQTT發布的這些配套信息模型的一部分是OPC UA的固有特性。OPC UA FX更豐富了現場設備通過配套信息模型進行具有語義的信息通信。Sparkplug專注于SCADA用例的通用模型，目前沒有指定特定于行業的信息模型。

概括而言，Sparkplug為MQTT的智能制造和工業4.0的應用場景的實現添加了重要的特性。如果系統的組態不經常更改，并且需要二進制編碼，那么使用Sparkplug是合理的。在即插即用應用場景中，需要基于標準化的語義信息模型對生產系統進行有效的組態或重新組態。在這方面，OPC UA提供了配套信息模型和通用組態模型，這是其顯著的優勢。此外，工業自動化公司采用OPC UA國際標準還具有投資安全的優勢。

未來工業語義技術將呈現“邊緣輕量化、云端強語義”的分層架構，同時依賴開源工具和AI技術降低實施門檻。OPC UA與MQTT/Sparkplug的融合是必然趨勢，而行業標準組織需加速定義跨協議映射規則，以應對智能制造和工業4.0的異構互聯的挑戰。

作者簡介：

彭　瑜（1938-），男，湖南長沙人，教授級高級工程師，上海工業自動化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽主席。迄今為止，已經為中國工業自動化技術的發展服務了50多年，涉及流程工業、離散制造業等領域的檢測、控制、生產制造、執行管理等多個方面。

摘自《自動化博覽》2025年2月刊