OPC UA 协议介绍

一.OPC 发展历史

在 OPC UA 规范发布之前，行业供应商、最终用户和软件开发商曾合作开发了一套用于定义工业过程数据、警报和历史数据的规范。这套规范被称为 OPC Classic，于 1995 年首次发布，基于 Microsoft Windows 的 COM/DCOM 技术栈。

它包括以下三个部分：

OPC Data Access(OPC DA)：定义了数据交换，包括数值、时间和质量信息。

OPC Alarms & Events(OPC A&E)：定义了报警和事件类型消息的交换以及状态管理。

OPC Historical Data Access(OPC HDA)：定义了可用于查询和分析历史数据的方法。

OPC Classic 以其在过程控制中的卓越性能而著称。然而，由于技术的进步和外部因素的变化，它已不能完全满足人们的需求。

为解决这一问题，OPC 基金会于 2006 年推出了 OPC UA。这项新技术提供了跨平台数据传输、更可靠的安全性和更强的数据处理能力。OPC UA 集成了现有 OPC Classic 规范的所有功能，同时解决了 OPC Classic 存在的诸多问题。

2.OPC协议的主要特点

互操作性： 通过提供统一的接口，OPC协议允许不同厂商的硬件设备和软件应用能够互相通讯和数据交换。

标准化： OPC协议基于微软的OLE/COM技术（OLE for Process Control），后续版本也支持.NET和Web服务，确保了跨平台的兼容性。

扩展性： OPC标准不断发展，从最初的OPC DA（Data Access）扩展到OPC HDA（Historical Data Access）、OPC A&E（Alarms & Events）、OPC UA（Unified Architecture）等多个子标准。

3.OPC UA与 OPC Classic 的对比

二.OPC UA

1.OPC UA（Unified Architecture）

  OPC UA 统一架构，支持跨平台和更高层次的安全性，提供更灵活和强大的数据建模和传输功能。OPC UA不再依赖微软的COM/DCOM技术，而是基于独立于平台的协议栈，如TCP/IP、HTTP和WebSocket。

  目前，OPC UA 的最新版本是 1.05。除了提供客户端-服务器（订阅）模式，OPC UA 还包括一个 Pub-Sub 机制，允许通过 UDP 协议、MQTT 协议或 AMQP 协议推送 JSON 规格的数据（也可以使用标准定义的二进制规格 - UADP）。

2.OPC UA的主要特点

跨平台支持：OPC UA不再依赖于微软的COM/DCOM技术，而是基于平台无关的通信协议（如TCP/IP、HTTP和WebSocket），使其能够在各种操作系统和硬件平台上运行。

安全性：内置了全面的安全机制，包括用户认证、授权、加密和数据完整性检查，确保数据传输的安全性和可靠性。

可扩展性：支持复杂的数据建模和对象管理，可以适应多种工业应用场景。OPC UA允许用户定义自定义的数据类型和对象模型，以满足特定的应用需求。

统一架构：整合了OPC DA、HDA和A&E的功能，提供统一的数据访问接口，简化了系统集成和开发。

灵活的通信方式：支持多种通信模式，包括客户端/服务器模式和发布/订阅模式，适应不同的应用需求。

3.OPC UA的架构

OPC UA的架构可以分为以下几个层次：

传输层：定义了各种通信协议（如TCP/IP、HTTP、MQTT）和传输方式，确保数据可以在不同网络环境中可靠传输。

安全层：提供认证、授权、加密和数据完整性检查等安全功能，保护数据免受未授权访问和篡改。

服务层：定义了各种服务接口，如会话管理、浏览、读写、订阅等，用于客户端和服务端之间的交互。

信息模型层：支持复杂的数据建模和对象管理，可以定义层次化的对象、属性、方法和事件，使数据表示更加直观和结构化。

4.OPC UA的关键功能

会话管理：客户端与服务端之间建立和管理会话，支持长时间连接和状态保持。

浏览服务：允许客户端浏览服务端的地址空间，发现可用的节点和数据项。

读写服务：支持读取和写入服务端的数据，适用于实时数据访问和控制。

订阅和监控服务：客户端可以订阅特定的数据项，服务端在数据变化时主动通知客户端，适用于实时数据监控和报警处理。

历史数据访问：支持访问服务端存储的历史数据，适用于数据分析和报表生成。

方法调用：支持在服务端执行预定义的方法，适用于远程控制和操作。

5.典型应用场景

工业自动化与智能制造

连接 PLC、DCS、SCADA 系统，实现设备状态监控、远程控制和生产数据采集。

案例：汽车生产线中，通过 OPC UA 整合机器人、AGV 和质量检测设备数据，优化生产流程。

物联网与边缘计算

传感器、边缘设备通过 OPC UA 直接与云端平台（如 AWS IoT、Azure IoT）通信，避免协议转换损耗。

支持边缘节点本地化处理（如数据过滤、报警触发），减少云端负载。

能源与电力系统

智能电表、变电站设备通过 OPC UA 实现数据交互，支持电网实时监控和故障诊断。

符合 IEC 61850 等电力行业标准的扩展模型，促进跨厂商设备互操作。

资产绩效管理（APM）

构建设备数字孪生，通过 OPC UA 采集振动、温度等数据，实现预测性维护（如提前预警电机轴承故障）。

跨企业数据集成

工厂与供应链系统通过 OPC UA 安全交换生产计划、库存数据，支持端到端追溯。