FLC系统架构和与FLC相关的建模研究

由于其多功能性和制造商的独立性，OPC UA现在已经在许多不同的工业应用中使用。但是，OPC UA不仅仅是传统意义上的传输协议。相反，OPC UA是用于工业物联网（IIoT）和工业4.0的，与协议无关的工业框架，其中包含用于与制造商和平台无关的安全可靠的信息交换机制，以及语义信息建模和自我选择的选项。设备的描述。OPC UA可以从各个级别的传感器扩展到MES / ERP，也可以扩展到云。

为了满足最终用户，供应商以及从过程自动化到工厂自动化的集成商对用例的所有要求，2018年11月，OPC基金会建立了现场水平通信（FLC）计划，并得到了众多主要自动化供应商的支持。该计划的范围是共同指定和标准化来自不同制造商的控制器和现场设备的语义，协议和物理接口。

FLC涵盖的主要用例是控制器到控制器和控制器到设备，包括对控制器和现场设备的IIoT连接的支持。与FLC相关的技术工作包括以下主题：

定义“自动化组件”，其功能，接口和行为是过程和工厂自动化中各种应用中使用的不同FLC兼容控制器和设备所共有的功能，接口和行为定义系统行为和常见功能的序列（例如，引导和连接建立）

l I / O，运动控制，功能安全性和系统冗余之类的应用程序配置文件的协调和标准化

l 在线和离线场景下现场设备的OPC UA信息模型的标准化（例如，设备描述和诊断）

l 映射到下级通信协议和传输物理机制，例如TCP，UDP，以太网APL / SPE，确定性以太网（TSN），并将来映射到5G和Wi-Fi 6

l 确保OPC UA配套规范的最佳集成，例如FDI，FDT，PA-DIM，分析仪设备集成（ADI），模块类型包（MTP）和MDIS（油气），VDMA泵，UMATI和Spectaris。

FLC互动模型

为了从过程和工厂自动化应用的广泛领域中的特定和多样化的应用场景中进行概括，FLC使用了一个抽象的交互模型以及各种“抽象的” OPC UA用例。

控制器代表通常在可编程自动化控制器，可编程逻辑控制器或分布式控制系统中实现的功能。如今，自动化设备通常连接到控制器，并且可以像感应式接近开关一样简单，也可以像科里奥利流量计或伺服驱动器一样复杂。Compute的硬件方面从基于Raspberry Pi的数据网关扩展到云中的刀片服务器，但更重要的是在这些服务器上运行的软件应用程序。控制器和设备具有许多共同的属性-术语“自动化组件”用于将功能应用于两者的情况。

控制器到计算。 无论是仪表板中的管理信息，长期过程优化，预测性设备级诊断还是数字孪生，在Compute平台上运行的软件都是当今的主要创新领域。这些都需要从控制器中提取信息。OPC UA在当今占主导地位，几乎每个主要的控制器供应商都直接在其控制器或设备上提供OPC UA。

控制器到控制器。 工厂所有者和系统集成商正在使用从不同的机器/滑架制造商处购买的机器来组装复杂的操作。他们可能会发现每个都装有其他供应商的控制器。这导致需要一种简单的方法来设置多个供应商之间的控制器之间的通信。工业自动化行业尚未有效解决此问题，FLC控制器到控制器解决方案将是第一个为所有类型的自动化应用提供涵盖标准和安全通信的可互操作的实时解决方案。

控制器到设备。 在工业自动化领域中，使控制器与I / O模块，驱动器，伺服器，仪器和其他智能自动化组件的子网进行通信的传统现场总线方法已广为人知。但是，当部署融合的IT / OT解决方案或不同的工业自动化技术共享网络时，网络结构和拓扑结构受到限制。FLC计划将具有达到或超过现有解决方案功能的控制器到设备的通信，并将添加IEC 61784规范未完全提供的功能。

设备到设备。 通过将多种车间技术的最佳实践结合在一起，并通过协调终端设备中使用的应用程序配置文件，诸如跨多个伺服驱动器的不灵活负载的负载共享之类的应用程序将变得更易于以互操作方式进行部署。

设备到计算。 控制器通常充当设备的代理，为这些设备提供的信息添加有价值的上下文，并在某些情况下控制对该信息的访问。然而，随着设备变得越来越复杂，有用变量的数量以及内部和外部测量值的不断增长，使用控制器作为代理变得越来越不切实际。例如，通过控制器从每个设备路由4，000个变量不再可伸缩。FLC将定义必要的语义和元数据，以将来自设备的信息上下文化，以在开放式体系结构中的各种基于Compute的软件应用程序中使用，而不会使控制器成为瓶颈。

计算到计算。 这些应用程序包括通向IT系统的网关，云-云连接，可互操作的制造运营管理等等。在过去的十年中，现场级通信计划将使用并建立在OPC UA在Compute-to-Compute应用程序中取得成功的服务，信息模型和互操作性的基础上。在FLC计划中，预计不需要进一步开发支持Compute-to-Compute应用程序的功能，但是这些应用程序将继承并受益于在现场一级日益增强的协调性。

FLC系统架构

FLC系统体系结构基于OPC UA框架（IEC 62541），可实现安全，可靠以及与制造商和平台无关的信息交换。FLC控制器和设备一方面支持面向连接的客户端/服务器通信模型，另一方面则支持发布/订阅（PubSub）扩展。由于对灵活性，效率和确定性有相应的要求，因此OPC UA PubSub对于现场通讯至关重要。FLC还使用OPC UA中指定的安全性机制，该机制尤其支持对要传输的数据进行身份验证，签名和加密，并且可以用于客户端-服务器以及PubSub通信关系。

FLC指定的扩展的核心元素是OPC UA的元模型。这用于为FLC自动化组件指定相应的信息模型，并通过标准化的OPC UA服务访问建模的信息。

由于所有FLC自动化组件（控制器和设备）都基于OPC UA，因此在所有自动化级别上都可以进行统一的集成通信，从而支持广泛的用例，这带来了全新的可能性，尤其是针对不同的Industry 4.0应用场景和IT / OT融合。

离线工程

离线工程是开发，运行和维护自动化系统的重要元素。当用户有能力在将系统部署到物理硬件中之前了解自动化系统的操作时，一旦物理系统安装到位，用户将知道系统将可靠且正确地执行控制功能。用户将能够在对物理系统进行更改之前模拟自动化系统的更改和更新，并确保更改将达到用户的期望并改善系统的性能。在产品和配置描述符的帮助下，相应的配置工具可以访问设备描述。但是，规范工作并非“从头开始，

与FLC相关的建模

与FLC相关的工作的关键要素是通过所谓的OPC UA Facets进行功能建模。OPC UA配置文件表示可以进行原子测试的Facet的集合。完整配置文件代表设备的完整功能。

FLC基本方面描述了各种类型的自动化组件（控制器和现场设备）共有的基本功能，例如设备标识，基本诊断和连接管理。特定于设备或功能的方面建立在基本方面上，例如用于功能安全，运动，I / O和仪表。

安全与运动

OPC UA安全性涵盖了功能安全要求。为此，已经采用了第一个OPC UA安全规范，该规范基于客户端-服务器机制，并且是与Profibus用户组织（PNO）组成的联合工作组提出的。不久还将有一个扩展，描述到PubSub的映射和安全设备的参数化。OPC UA安全概念的特殊之处在于，即使在正在进行的操作过程中，安全参与者也可以集成到通讯中，而这是常规安全协议所无法实现的。

Motion Facet包含针对各种类型的运动设备（例如控件，标准驱动器，变频器和伺服驱动器）的运动控制功能的规范。FLC计划已确定CIP Motion™和Sercos是基于OPC UA Motion的理想解决方案。将使用CIP Motion和Sercos规范，并且可以对其进行更改或扩展，以适应FLC系统架构，以支持涵盖工业4.0和数字化用例的创新，并促进数据建模和实时需求的现代概念。

由OPC指定和标准化的方面可以通过OPC UA配套模型进行补充，例如FDI，FDT，PA-DIM，分析仪设备集成（ADI），模块类型包（MTP），MDIS（油气），VDMA泵， UMATI，Spectaris等。此外，可以集成特定于供应商的模型。

通讯

FLC的一个重要方面是为工厂和过程自动化中的广泛使用案例支持不同的基础传输协议和物理层。为此，引入了服务质量（QoS）建模的概念，它具有将服务灵活地映射到较低级别的通信协议的可能性。

第一步，FLC支持通过UDP进行的第3层映射和到以太网TSN的直接第2层映射，二者均可与SPE / APL物理层结合使用。但是，QoS建模还可以轻松扩展到其他下级传输标准，包括无线数据交换，例如5G或Wi-Fi 6。

OPC UA与直接映射到以太网TSN的组合特别重要。只有这样，才能通过OPC UA进行确定性的数据传输。由FLC指导委员会领导的工作组目前正在制定FLC终端设备和基础设施组件的哪些TSN子标准是强制性的，以满足对性能，灵活性和易用性的特定要求。

在OPC基金会方面，对TSN-IA配置文件的明确承诺是由IEC / IEEE 60802工作组开发的。其目的是可以通过通用的网络基础设施传输不同的协议和流量类型。这种共存不仅对于IT和OT的融合至关重要，而且在迁移基于常规现场总线协议的现有棕地解决方案时也很重要。最后，用户应该能够自由决定他们要用新系统替换旧系统或系统组件的速度。

路线图

尽管新冠及其局限性，但第一个规范版本的工作在最近几个月取得了良好的进展。基本概念已被广泛采用，并已纳入规范初稿中。第一规范版本的发布候选版本触手可及。根据目前的计划，它应该在第三季度准备就绪。原型设计已经开始验证规范草案。

预计将于2020年底发布第一个规范。与此同时，还将成立一个工作组来生成相应的测试规范，然后将其转换为OPC UA认证工具（CTT）中的相应测试用例。第二步。关于控制器到设备用例的概念的工作已经开始，这将包含在第二个规范版本中。

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