工业4.0和物联网（IoT）均是需要设备和服务端之间具有高度联网和强大通信能力的理念。从传感器到IT层必须交换大量数据，基于PC控制技术的协议和标准使得其非常适合用于此项任务。推动物联网和工业4.0理念可行的另一个基本因素是SOA（面向服务的架构）PLC。通过Web服务访问PLC已不是新技术，那么什么是SOA？在“SOA-PLC”中究竟什么才是新技术？又能够带来怎样的附加值？Beckhoff的产品及技术又是如何为实现这一目标而服务的呢？

工业4.0理念能够实现高速且高动态生产，需要设备和服务端之间具有合适的联网和通信，且彼此间必须能够直接通信。传感器、测量设备、RFID芯片、PLC控制器、HMI、MES和ERP系统都为企业提供了重要的生产数据。在传统的控制架构中，数据需要事件驱动或循环启动，并总是响应“来自上层”即客户端层的请求。下层总是用作服务器和应答机制：可视化，如可从PLC请求状态数据或传输新的生产配方到PLC。第一步是将电传感信号转换成数字信息，然后在PLC内分配一个时间戳，并通过其他服务端将信息传输给MES-IT层。

一般来说，所有在工业4.0中定义的通信场景和IoT组可以从一个抽象的角度分成两个通信架构环境：一方面是“硬实时”服务（即在自动化方面，如确定性PLC用于完成控制目的），另一方面是“软实时”环境中的服务，如在一个 IT 环境中（图1）。

图1 在通信环境中，可以分成“IT”和“自动化”以及三个可能的通信转换，无论是针对“硬”还是“软”实时需求

在这里，确定性可以看成是一个“服务质量（QoS）”，具有通信过程可能满足或不能满足的某些要求；这些要求会由一个保障期限定义，如100μm的响应时间。术语“M2M”已经被应用到移动无线通信中，在这里，M2M指的是通过移动通信实现设备与IT进程之间的连接，并存在于SIM卡技术。

不管是什么时期，最终都将被定义为三个类别。事实是在物联网和工业4.0中，通信将不再基于纯数据和数据通信的互操作性。重点将会放在信息模型的交换上，即语义互操作性上。一个重要的因素将是传输的完整性和具体数据或服务访问权限的安全性。所有这些要求都是OPC统一架构（OPC UA）的重要方面，它包含一个描述语言和信息模型的通信服务。作为一个IEC 62541标准，OPC UA设计用于映射其他组织，如BACnet、PLCopen、IEC 61850、AIM AutoID和MES-DACH的信息模型。根据德国联邦信息安全局（BSI）、OPC UA中集成的“安全性设计”比其他协议中的要好很多，由于它与工业4.0有高度相关性，因此正在当前的一个项目中进行评估。

由于标准化的数据整合，以及它们的结构和目的（元数据），OPC UA特别适合用于机器间的分布式智能应用，而不需要更高级的智能或中央知识。OPC UA组件的功能可以升级并已可在传感器层使用（如风力发电机制造商Areva的当前传感器内存使用，从240kB闪存和35kB RAM开始），直到SAP系统。

PLCopen：PLC中的OPC UA客户端功能

对于“启动通信”任务，PLC控制器必须有一个客户端组件，非常适合用作一个标准组件。2006年10月，Beckhoff提议定义基于OPC UA的PLCopen通信模块。三年后，PLCopen和OPC UA工作组在Beckhoff的主持下成立。2010年，OPC UA（服务器）的IEC 61131-3信息模型的映射用作一个共同的规范。这意味着一个符合IEC 61131-3标准的PLC程序可以使用不同厂商的不同专用工程工具，加载不变的IEC。控制器通过OPC UA让它们的数据和信息可以语义上相同的方式在外部使用，如用于可视化和MES/ ERP任务，这显著减少了工作量。如在带有20个数据点的功能块实例中，足够链接单个实例对象，甚至可以为不同的制造商以相同的方式执行，而不是链接每个单独的数据点到可视化掩码或一个MES系统。

图2 PLCopen/OPC UA客户端模块能够实现独立于现场总线的高速通信

其他建设性的小组作业的成果是2014年4月在采用PLCopen规范“OPC UA的客户端功能块用于IEC61131-3”的形式下完成了下一步工作。通过这种方式，控制器可以在通信中发挥主动及引导作用，或用作常用分布式角色的替代方案（图2）。因此，PLC可以与其他控制器横向交换复杂的数据结构或在MES/ERP系统内的OPC UA服务器中纵向调用方法，如以检索新的产品订单或将数据写入云服务器中，这样可以让生产线独立运行。

客户很早就已经意识到这些功能块具备的潜力并已从Beckhoff的实施中获益。来自Vogtland Water and Wastewater Association的SilvoMerz使用紧凑型Beckhoff CX9020嵌入式控制器构成300个本地水管理系统间的智能网络。实际对象如泵在IEC 61131-3 PLC控制器中建模成带交互选项的复杂对象。因为OPC UA服务器集成在控制器中，这些对象可自动作为复杂的数据结构提供，用于实现与外部世界联系的语义互操作性。其结果是构成一个分布式智能系统，可以独立做决定，并传输信息给其“邻居”或为其自己的进程查询状态和进程值，以确保无故障的进程循环。有了标准化的PLCopen功能块，设备可以独立地启动通信，从PLC到其他作为OPC UA客户端的工艺设备，而同时能够对它们的请求或作为OPC UA服务器的上位系统（SCADA、MES、ERP）的请求做出响应。Silvio Merz对该解决方案十分热心，无论从技术还是商业角度：“先前专用的解决方案换成CX9020和集成式OPC UA客户端和服务器，可节省超过90%的初期授权成本。”

Beckhoff的PLC用作OPC UA客户端并在公司iTAC的MES系统中调用方法。一个RFID代码和过程数据作为输入参数传输，在MES系统中注册，检查并分配“OK”或“失败”等级，调用的方法确保性能和数据一致性（图3）。

图3 TwinCAT PLC通过一个OPC UA方法调用将RFID信息传输给MES系统

SOA（面向服务的架构）PLC

通过在OPC UA服务器中映射IEC 61131-3及PLCopen功能块的使用，PLC制造商已经奠定了重要的基础。在其他设备中从PLC调用OPC UA服务的选项是一个“B2M”方案的使能技术。如PLC能够在视觉/摄像头应用程序或RFID阅读器中调用一个服务与PLC直接通信，或将大数据应用程序的数据传输给云。

TwinCAT 3为实施IEC 61131-3、C++和MATLAB/Simulink模块提供了选项，将它们装载到不同的CPU内核，并在不同的实时内核中运行这些模块，同时确保它们相互间可以继续可靠地交互。这一切的基础是TwinCAT模块语言，它描述了模块的特性，如关于过程参数或方法。

对于PLC编程人员来说，实施工作很简单：PLC方法（可自由选择的输入/输出参数）可以用作为一项在OPC UA服务器中调用的服务，通过添加一个简单的“Pragma”指令行集成在PLC控制器中。在IT安全和允许集成到OPC UA协议中的基础上，每个OPC UA客户端都可以浏览TwinCAT OPC UA服务器并调用所需的服务，这些与操作系统和编程语言无关，确保数据一致性。

目前，MES层和PLC之间的数据交换通常通过耗时的握手程序进行。如MES系统将配方信号传输给控制器，然后PLC确认准备就绪。一旦配方数据接收完毕，就确认传输。SOA-PLC现在能够在一次通信中将数据传输给控制器：数据值不再多次交换，而是作为一次服务通过输入参数（配方）和输出参数（通过 PLC确认）处理。即OPC UA使得远程过程调用（RPC）直接可用于编程 PLC功能块。这将显著缩短PLC和MES系统之间通信往返时间，并能够带来更高的生产能力。此外，它会大大降低车间和最高层之间数据链路的工程成本。

状况与前景

SOA-PLC不仅是简单地支持Web服务（直到PLC），通过VPN确保安全，还包含针对实时和历史数据、报警和服务（方法）面向对象的数据通信，包括与所需的安全直到服务和数据层相应的安全链接，包括信息模型的建模能力，所有这些都基于国际IEC标准。

现在，将OPC UA服务器和客户端功能集成到控制器中使得实施智能网络成为可能，并同时确保服务层访问权限的高安全标准。未来，信息模型的交换将变得越来越重要。那时，PLC应该不再需要通过带过程数据的OPC UA将自己作为IEC 61131-3控制器在外部应用中展示，而是作为一个电流表，如要符合由测量设备制造商协会制定的规范。嵌入式控制器中使用的操作系统将不再是从外部可见；出于安全原因，所有的端口都将关闭，设备将只能通过OPC UA提供其SOA服务，确保服务和数据层的安全。除了数据和方法调用之外，“数据通过OPC UA传输”提供了有趣的选项，不仅针对本地离线测量数据记录，而且还针对其他任务，如设备管理。

作为德国电气、电子和信息技术委员会（DKE）工业4.0标准化路线图上唯一的IEC标准化SOA架构，OPC UA具有将自己打造成为工业4.0和物联网应用中数据和信息交换业界标准的潜力。因此，从传感器到IT系统的安全、横向和纵向通信在今天已经可行。Beckhoff在很早的时候就挖掘出了OPC UA的潜力，如今可以提供集成有OPC UA客户端和服务器的SOA-PLC，即使是最小的CX系列嵌入式控制器系统。基于PC的TwinCAT软件中的控制架构，它可以在各种设备类别上运行，可以与各种Beckhoff I/O端子模块和EtherCAT集成安全性能配套使用，这些都为满足未来所有工业4.0要求提供了一个理想的、性能可扩展的平台。