為了建構可靠的工業4.0系統，工程團隊必須從設計之初就將連接和互操作性納入考量，而OPC統一架構(UA)即為實現系統互操作性的關鍵工具。
現代生活中的各種事物皆於基礎設施中進行製造，設施中，機器、感測器、運動控制系統、可程式設計邏輯控制器(PLC)以及企業級軟體無縫協同合作。
從汽車到藥品的生產，由電子元件和軟體組成的系統有條不紊地製造出各種產品，提升我們的生活品質。為了建構可靠的工業4.0系統，工程團隊必須從設計之初就將連接和互操作性(Interoperability)納入考量。安全性、可靠性、互操作性以及系統的持久性，構成了連接的核心挑戰。工業4.0不僅僅是傳輸原始資料，還可以進一步利用資訊的力量將複雜的元件網路轉換為有意義的智慧，確保生產系統的高效能運轉。
從原始資料轉化為有意義的資訊，是優化系統運作的關鍵，有效的營運決策往往基於多個資料來源綜合得出的資訊。資訊建模(Modeling Information)是工業4.0的關鍵，在打造工業4.0系統的過程中，OPC統一架構(UA)是實現系統互操作性的關鍵工具。
資訊建模、互通性和存取權
OPC UA是一種資訊架構，旨在實現工業元件之間的互通性。OPC UA的設計基於工業界的集體智慧，建立在幾個關鍵支柱上，進而為長期的、公開的資訊交換提供堅實的保障。
許多通訊標準都側重於移動原始資料，OPC UA則對資訊交換方式進行標準化。OPC UA以資料類型為起點，將這些基礎元素巧妙地組織成靈活的資訊結構，能夠精確地類比各種感測器、設備或流程(圖1)。
圖1 OPC UA資訊建模框架 (圖片來源：OPC基金會組織)
OPC UA為許多常見工業機械和流程提供標準化模型。例如，OPC 40502-1可對CNC系統進行建模(圖2)。這意味著，軟體能夠以標準化的方式存取符合OPC UA標準的CNC機器，簡化了不同系統間的整合過程。
圖2 基於OPC 40502-1的CNC標準資訊模型
除了標準資訊模型，業者還可以擴展，為其設備賦予特定功能。在OPC UA的框架下，存取資訊機制實現了標準化，業者的特定資訊可以透過標準化的OPC UA存取機制查詢。此外，OPC UA還能執行任務或調用目標設備上的區域特定API。
在OPC UA架構中，資訊存取主要透過兩種模式實現：用戶端-伺服器模式，以及發布-訂閱(Pub-Sub)模式(圖3)。當OPA UA於2008年首次發布時，用戶端-伺服器模式是資訊交換的主要模式。此為歷史發展的影響，用戶端-伺服器模式基於TCP傳輸和HTTP/SOAP。
圖3 OPC UA資訊模型存取方式 (圖片來源：OPC基金會組織)
用戶端-伺服器模式適用於多種應用場景。該模式下，用戶端負責取得其所需的資訊。然而，當多個用戶端同時向同一OPC UA伺服器請求相同資料時，每個用戶端必須獨立請求資料(圖4)。因此，這種方法可能會導致網路流量激增，並使系統複雜性加劇。
圖4 具有請求-回應(Request Response)的OPC UA用戶端-伺服器模式
為了優化這些應用場景和存取模式，OPC基金會在其規範中引入了發布-訂閱 模式。在發布-訂閱模式中，生成資訊的設備可以將資料發布至「代理者(Broker)」。需要訪問的設備可以透過「主題(Topic)」來從代理者獲取特定資訊(圖5)。有多種開源的訊息導向中介軟體可以作為代理者，例如AMPQ(ISO/IEC19464:2014)，或是常見的MQTT(ISO/IEC20922:2016)系統。
圖5 OPC UA發布-訂閱存取模式
重點是，OPC UA已經定義了資訊結構，因此端點能夠以標準化的方式來處理資訊。發布-訂閱模式的優勢在於其能夠在眾多設備需要獲取相同資訊時，顯著降低系統的複雜性。此外，OPC UA還定義了一種無代理者的資訊交換模式，該模式無需任何額外的軟體或中介軟體。
兼顧安全、跨平台及確定性通訊
OPC UA在資訊傳輸中通常採用TCP/IP協定(包括TCP和UDP)，並且透過符合標準的安全措施來保護資料。在用戶端與伺服器(或資訊代理者)之間的TCP會話中，會話加密技術得到廣泛應用。這一過程可能涉及X.509證書，確保資訊交換的雙方都能夠驗證對方身分認證的有效性。此外，訊息簽名功能確保了接收方能夠驗證請求方的身分。OPC UA還具備審計功能，能夠記錄存取活動，留下審計軌跡(Audit Trail)。
得益於OPC UA在TCP/IP和乙太網路上的運行能力，幾乎所有配備乙太網路介面的硬體設備都能夠加入OPC UA生態系統中。以恩智浦(NXP)產品為例，無論是運行Linux的i.MX 93，還是搭載RTOS的i.MX RT跨界MCU(如i.MX RT1180)，甚至是基於MCX N947微控制器的裸機，都可以輕鬆實現用戶端或伺服器的功能。解決方案可以包括高級、功能強大的作業系統，如Linux。軟體的部署可以從open62541或S2OPC協定堆疊等開源專案開始，而眾多商業產品的加入也有助於加速開發進程。
除此之外，許多工業應用會要求資訊傳遞和關鍵控制的確定性時序(Deterministic Timing)，TSN乙太網路技術便是為了滿足這種確定性即時需求而生。結合IEEE 1588v2精確時間協定(Precision Time Protocol)，TSN可透過設定網路上無競爭的固定通訊時間視窗，實現節點間的確定性通訊。
雖然TSN的開發獨立於OPC UA，但OPC UA能夠在任何乙太網網路中實現互通性。隨著OPC UA發展，OPC基金會引入了層間控制功能，允許高優先順序的資訊傳遞得到優先處理。OPC UA和TSN可以協同工作，以實現可交互操作的、穩健性高的系統。目前已有廠商提供相關解決方案，例如恩智浦的解決方案(如i.MX RT1180)便已內建對Gigabyte TSN的硬體支援。i.MX RT1180適用於OPC UA節點，其支援達5Gb的埠速率，並且相容於最新的TSN標準，為工業4.0解決方案帶來了即時控制的可能性。
多元方案助攻OPC UA實作
OPC UA是為工業4.0應用構建的可擴展、開放且安全的資訊架構。在此架構下，工程師能夠設計出從「隨插即用」到複雜生產場景的自動化解決方案，簡化資訊交換複雜度。OPC UA的開放性保證確保其能夠在堅固耐用的工業設備生命週期中提供支援。
恩智浦以其多樣化的技術選項，為實作OPC UA解決方案提供支援，包括支援乙太網路的微控制器，如裸機運行或使用FreeRTOS等簡單RTOS的MCX N947；支援TSN的跨界MCU，如搭載了Zephyr等RTOS的i.MX RT1180；工業應用處理器，如運行Linux的Layerscape LS1028A。
(本文作者為恩智浦半導體邊緣處理業務工業自動化行銷全球負責人)