OPC UA
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OPC UA的全名是OPC Unified Architecture(OPC統一架構)。是OPC基金會應用在自動化技術的機器對機器網路傳輸協定。有以下的特點:
歷史
編輯OPC UA和其前身開放平台通信(OPC)是由同一個組織所開發,但兩者有顯著不同。基金會開發OPC UA的目的是發展比原來OPC通訊架構(只使用Microsoft Windows的進程交換COM/DCOM)更理想的架構,也更符合正在發展中的工業自動化[1]
OPC UA的規格開發了三年,之後花了一年實現通訊協定,OPC UA的第一個版本在2006年問世。
到2015年10月10日為止,OPC UA最近的版本是1.03。除了client/server通訊協定外,新版的OPC UA也加入了publish/subscribe的機制。
創新
編輯開放平台通信(OPC)和COM/DCOM的結合雖讓開放平台通信可以順利推展,但有以下的缺點:
- 頻繁配置DCOM的問題
- 沒有可以規劃的逾時機能
- 只適用於Microsoft Windows
- 資料安全性較低
- 沒有針對DCOM的控管(COM/DCOM類似黑盒子,開發者無法取得源代碼,因此需要處理一些相關的問題或是未充份實現的問題)
因為這些缺點以及許多其他的考慮因素,使得OPC基金會決定開發一個針對全新而且獨立的OPC UA通訊協定棧來取代COM/DCOM。其優點有:
- 多平台實現,包括可攜式的ANSI C、Java及.NET框架。
- 可擴展性,從智慧傳感器、智慧致動器一直到大型計算機。
- 支援多線程,也有單線程/單任務的模式,以便將此通訊協定棧放在嵌入式系統中。
- 基於新標準的資料安全性
- 每個設備都有可以規劃的逾時機能
- 大容量資料報文的組塊
通訊協定棧反映了架構創新的基礎,OPC UA架構是服務導向架構(SOA),以許多不同邏輯層級為其基礎。
OPC基礎服務是抽象形別的敘述,和通訊協定無關,是OPC UA機能的基礎。傳輸層將方法轉換為通訊協定,將資料序列化(或反序列化),再傳送到網路上。 為了上述目的,定義了兩種通訊協定,其中一個是以效率進行過最佳化的二進制TCP訊定,另一個則是Web服務導向的協定。
OPC資訊模型是所謂的全網狀網絡(Full Mesh Network),以節點為基礎。節點類似物件導向程式設計(OOP)中的物件,可以包括各種的元資料。節點可以有屬性讓其他設備讀取(DA、HDA),有方法可以呼叫(Commands),也有可以啟動傳輸的觸發事件(AE、DataAccess、DataChange)。節點包括過程資料,也包括其他種類的元資料。OPC命名空間中包括了形態模型。
客戶端軟體可以確認伺服器支援哪些行規(profile),有需要獲得這些資訊,知道伺服器是否只支援DA,或是還支援AE和HDA。而且可以得到伺服器是否支援特定行規的訊息。OPC UA還有以下重要的新機能:
- 支援冗餘(Redundancy)
- 雙方向連結的心跳報文(Heartbeat)(確定另外一端是否「活著」),這表示客戶端和伺服器都可以識別中斷。
- 傳輸資料及acknowledgement的緩衝(Buffering),連結遺失不會造成資料遺失,可以重新獲取之前遺失的資料報文。
OPC UA 是在2006年10月在慕尼黑舉行的 OPC UA DevCon 中首次公開其協定,在Beckhoff 的 PLC 上已有許多的 UA 伺服器,在 Euros 嵌入式測試電路板中也有UA伺服器。Beckhoff PLC 的底層是 Windows XP嵌入式系統,而嵌入式控制器執行的作業系統是實時作業系統 Euros。Embedded Labs Ltd 公司在他們執行在單晶片ARM控制器(64kb RAM) C++ UA Stack 上展示了 OPC-UA。2012年10月時德國的 Fraunhofer-Application Center IOSB-INA 以及工業信息技術研究所(Institute for industrial Information Technologies, inIT)證實了OPC-UA伺服器可以只使用15 kB RAM以及10 kB ROM,因此是晶片等級可以使用的通訊架構[2]。
通訊協定
編輯OPC UA支援兩種通訊協定[3],這兩種通訊協定的差異只有URL的不同,二進位通訊協定是opc.tcp://Server,而Web服務的通訊協定是http://Server,其他情形下,OPC UA對應用程式接口的作業完全透明,其他作業不受OPC UA的影響。
二進位通訊協定的效率最高,其overhead也最少,讓需要的資源最小化(不需要XML解析器、SOAP及HTTP,對嵌入式系統格外重要),提供最佳的互操控性(在實現時,二進位通訊協定提供較少的自由度),使用任意選取的TCP通道,可以較容易的進行隧道協議,也可以從透過防火牆開啟。
Web服務(SOAP)通訊協定可以支援許多不同的工具(包括Java環境或是.NET環境的工具),使用標準HTTP(S)埠,可以和防火牆共同使用。
所有的實現方式都支援二進制通訊協定,但只有用.NET實現的設備才支援SOAP。
規範
編輯OPC UA規範屬於多部份的規範,包括了以下部份:
- Concepts
- Security Model
- Address Space Model
- Services
- Information Model
- Mappings
- Profiles
- Data Access
- Alarms and Conditions
- Programs
- Historical Access
- Discovery
- Aggregates
- PubSub
OPC UA規範和其他以COM為基礎的規範不同,OPC UA規範不是單純的應用規範。其中會描述典型的UA內部機制,這些會在通訊協定棧中處理,因此一般只有要將通訊協定棧導入特定硬體的人,或是要開發通訊協定棧的人才會對這些內容有興趣。
OPC UA應用程式的開發者需要撰寫程式和OPC UA API溝通,因此主要只需要用到API的說明文件。不過應用程式開發者也可能會對其中的第3、4、5部份感興趣[4]。
UA通訊協定棧
編輯UA應用程式在伺服器端或是客戶端,其架構上都有分層的結構。
有些部份和以往的COM Proxy/Stubs相等,由OPC協會提供。可移植性級別(portability level)是新的,簡化了引入UA ANSI C通訊協定棧的程序,也簡化了移植到其他平台的的難度。OPC協會也提供了針對Window及Linux的port layer。
UA安全性
編輯UA安全性包括了認證、授權、加密以及透過簽名實現的資料整合性。針對Web服務會使用WS-SecureConversation,可以和.NET和其他以SOAP實現的軟體相容。若是二進制的版本,也會依循WS-SecureConversation的演算法,轉換為二進制的版本,稱為 UA Secure Conversation。
有另外一個混合的版本,程式是二進制的,而其傳輸層是用SOAP。這是在二進制的效率以及對防火牆友善的傳輸之間的妥協。因為是二進制的程式,會需要使用UA Secure Conversation。 其認證只使用X.509認證,是靠程式開發者決定UA應用程式要使用哪一個證書儲存區。例如,也可能使用Active Directory中的公開金鑰基礎建設(PKI)。
OPC UA API
編輯在許多程式語言中都有UA的API。在C、C++、Java及.NET中有商業的SDK。而至少在C、C++、Java、Javascript(node)及Python中有其開源的通訊協定棧。
C++下的OPC UA
編輯.NET下的OPC UA
編輯.NET版本的實現在底層用ANSI C,其餘部份使用.NET。因此只有網路端點的處理以及消息分塊的取得是從ANSI C的通訊棧處理的。反序列化直接在.NET中進行,會直接轉換為.NET的結構及物件。因此其效能會比先反序列化成C語言結構,再複制到.NET結構的效率要好。
Java下的OPC UA
編輯有許多Java語言的通訊棧,類似.NET,Java語言的通訊棧分為三種:
- 用Java本地接口封裝完整的ANSI C通訊棧,這樣不利於可攜性。雖然通訊棧可以移殖到不同的作業系統,但需要個別的編輯這些程式。而且資料也需要複製到Java本地接口的邊界,不過在反序列化時會有C語言的效能。
- 直接撰寫網路層的代碼(類似目前.Net的實現),用Java進行反序列化,省去了一次的資料複製,但仍會受到C堆疊的影響。
- 撰寫原生的Java OPC UA通訊棧,這個是可攜性最好的,但是工程師需花費的心力也是最多的。Eclipse Milo專案提供一個純Java開源OPC UA實現,是依照UA 1.03客戶及伺服器規範[6]。
也有一些簡單的變體只支援WebService協定,此情形下,需要有可以支援WS-Security的SOAP Toolkit。
Python下的OPC UA
編輯FreeOpcUa(頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)專案提供了以Python程式語言實現的OPC UA(和Python 2, 3 及pypy相容),也提供了OPC-UA客戶及伺服器的高層次抽象化,可以用在客戶的應用中,或是漸漸延伸到客戶的應用。
IEC 62541
編輯IEC 62541是OPC UA的標準
ID | 發布日期 | 標題 |
---|---|---|
IEC/TR 62541-1 | 02/2010 | OPC Unified Architecture - Part 1: Overview and Concepts |
IEC/TR 62541-2 | 02/2010 | OPC Unified Architecture - Part 2: Security Model |
IEC 62541-3 | 07/2010 | OPC Unified Architecture - Part 3: Address Space Model |
IEC 62541-4 | 10/2011 | OPC Unified Architecture - Part 4: Services |
IEC 62541-5 | 10/2011 | OPC Unified Architecture - Part 5: Information Model |
IEC 62541-6 | 10/2011 | OPC Unified Architecture - Part 6: Mappings |
IEC 62541-7 | 07/2012 | OPC Unified Architecture - Part 7: Profiles |
IEC 62541-8 | 10/2011 | OPC Unified Architecture - Part 8: Data Access |
IEC 62541-9 | 07/2012 | OPC Unified Architecture - Part 9: Alarms and Conditions |
IEC 62541-10 | 07/2012 | OPC Unified Architecture - Part 10: Programs |
相關條目
編輯腳註
編輯- ^ Mahnke, Wolfgang; Leitner, Stefan-Helmut https://library.e.abb.com/public/75d70c47268d78bfc125762d00481f78/56-61%203M903_ENG72dpi.pdf (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) OPC Unified Architecture - The future standard for communication and information modeling in automation], 3/2009 ABB Review 3/2009, page 56-61 (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- ^ The world's smallest OPC-UA server comes from Germany. [2018-01-09]. (原始內容存檔於2018-01-09).
- ^ Leitner, Stefan-Helmut; Mahnke, Wolfgang OPC UA – Service-oriented Architecture for Industrial Applications (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館), 11/2006 Softwaretechnik-Trends (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) ISSN 0720-8928
- ^ Massaro, Simone What is OPC UA and how does it affect your world? (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館), 5/15/2008 planetengineering.com (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館)
- ^ ASNeG – open source OPC UA Application Server. [2015-09-11]. (原始內容存檔於2015-10-02).
- ^ OPC Unified Architecture (UA) client and/or server functionality in any JVM-based project. [22 Aug 2016]. (原始內容存檔於2018-03-01).
參考資料
編輯- Wolfgang Mahnke, Stefan-Helmut Leitner, Matthias Damm: OPC Unified Architecture. Springer Verlag 2009; ISBN 978-3-540-68898-3
- Lange, J., Iwanitz, F., Burke, T. OPC From Data Access to Unified Architecture 2010; ISBN 978-3-8007-3242-5