opc如何通信

开放式平台通信（OPC）作为工业自动化领域的关键数据交换标准，其通信机制是连接各类设备和系统的核心。本文将深入剖析开放式平台通信（OPC）的通信原理、架构模型与核心协议，涵盖从经典的开放式平台通信数据访问（OPC DA）到现代的开放式平台通信统一架构（OPC UA），并详细阐述服务器与客户端的交互、数据读写过程、安全策略及实际部署要点，为工程师和技术人员提供一份全面且实用的通信指南。

       在工业控制与制造执行系统的复杂网络中，实现不同厂商设备与软件应用之间的无缝数据交换，一直是业界面临的重大挑战。开放式平台通信（OPC）标准的诞生，为这一难题提供了优雅的解决方案。它并非指单一的通信协议，而是一套基于微软组件对象模型（COM）与分布式组件对象模型（DCOM）技术的工业通信规范体系。理解“开放式平台通信（OPC）如何通信”，就是理解这套规范如何在不同层级、以不同方式架起数据流通的桥梁。本文将系统性地拆解其通信的方方面面。

一、 开放式平台通信（OPC）通信的基石：客户端与服务器模型

       开放式平台通信（OPC）的核心通信架构严格遵循客户端与服务器模型。服务器扮演着数据源的角色，它封装了与底层物理设备（如可编程逻辑控制器、仪表、数据库）通信的复杂性，将设备数据以统一、标准化的接口暴露出来。客户端则是数据的使用者，它通过标准的开放式平台通信（OPC）接口向服务器请求数据，而无需知晓数据具体来自哪个品牌或型号的设备。这种模型实现了通信接口的标准化与数据访问的抽象化，是开放式平台通信（OPC）实现互操作性的根本。

二、 经典通信支柱：开放式平台通信数据访问（OPC DA）的同步与异步机制

       在经典开放式平台通信（OPC）体系中，开放式平台通信数据访问（OPC DA）是最广泛应用的标准。其通信主要围绕“数据项”的读写展开。每个数据项代表一个过程变量，如温度、压力或开关状态。通信方式分为两种：同步读写和异步读写。同步读写时，客户端发出请求后会被阻塞，直到服务器返回数据或超时，适用于对实时性要求不极端苛刻的场合。异步读写则更为高效，客户端发出请求后立即返回，服务器在数据准备好后通过回调机制主动通知客户端，极大地减少了网络延迟带来的等待，是高实时性应用的首选。

三、 数据流动的脉搏：订阅与发布模式

       为了高效监控变化的数据，开放式平台通信数据访问（OPC DA）采用了订阅（订阅）模式。客户端可以针对一个或多个数据项向服务器发起订阅，并指定一个“更新速率”。服务器会以不低于该速率的频率，检查这些数据项的值是否发生变化（或超过设定的“死区”范围）。一旦变化发生，服务器便会主动将新值“发布”给所有订阅了该数据项的客户端。这种由数据变化驱动的通信模式，避免了客户端不断轮询查询带来的网络与计算资源浪费，是实现高效实时监控的关键。

四、 穿越网络的桥梁：分布式组件对象模型（DCOM）的角色与局限

       经典的开放式平台通信数据访问（OPC DA）严重依赖于微软的分布式组件对象模型（DCOM）技术来实现跨计算机的网络通信。分布式组件对象模型（DCOM）是组件对象模型（COM）的扩展，它处理了网络传输、数据封送（序列化与反序列化）和安全认证等底层细节。然而，分布式组件对象模型（DCOM）的配置复杂、防火墙穿透困难、且在非微软平台支持性差，这些局限性成为了经典开放式平台通信（OPC）在更广阔互联网和跨平台场景中部署的主要障碍。

五、 新时代的演进：开放式平台通信统一架构（OPC UA）的诞生

       为了克服经典开放式平台通信（OPC）的缺陷，开放式平台通信统一架构（OPC UA）应运而生。它不再依赖分布式组件对象模型（DCOM），而是定义了一套独立于平台的、面向服务的架构。开放式平台通信统一架构（OPC UA）的通信核心是一个集成了地址空间、服务集和通信协议栈的完整框架。它通过“会话”机制管理客户端与服务器之间的长期连接，在此会话之上进行安全、可靠的数据交换。

六、 开放式平台通信统一架构（OPC UA）的信息建模：通信的语义基础

       开放式平台通信统一架构（OPC UA）的通信不仅是传输数据值，更是传输信息与语义。其核心是强大的“地址空间”信息模型。服务器将其所有数据、事件、方法等对象组织成一个层次化、带类型的节点网络。每个节点都有属性、类型定义和引用关系。客户端在通信前，可以通过浏览服务探索这个地址空间，理解数据的结构、含义和关联关系。这使得通信从简单的“读数值”升级为“理解并操作信息对象”，为实现智能制造中的语义互操作性奠定了基石。

七、 开放式平台通信统一架构（OPC UA）的服务集：通信的操作指令集

       客户端与开放式平台通信统一架构（OPC UA）服务器的所有交互，都通过调用定义良好的“服务”来完成。这些服务构成了通信的指令集。主要包括：读写服务，用于获取或修改节点属性值；浏览服务，用于导航地址空间；订阅服务，用于建立数据监控与事件通知；方法调用服务，用于执行服务器端定义的功能。每个服务请求和响应都是一个结构化的消息，确保了通信的规范性与可靠性。

八、 开放式平台通信统一架构（OPC UA）的通信协议栈：灵活高效的传输层

       开放式平台通信统一架构（OPC UA）定义了独立的通信协议栈，使其传输层可灵活适配。最常用的两种映射是：基于传输控制协议（TCP）的二进制协议，它编码高效、传输速度快，是系统内部高性能通信的首选；基于超文本传输协议（HTTP）/可扩展标记语言（XML）或JavaScript对象表示法（JSON）的Web服务协议，它易于穿越企业防火墙，便于与信息技术（IT）系统及Web应用集成。这种双协议支持策略，让开放式平台通信统一架构（OPC UA）能游刃有余地应对操作技术（OT）与信息技术（IT）融合的不同场景。

九、 安全通信的守护神：开放式平台通信统一架构（OPC UA）的安全模型

       工业通信安全至关重要。开放式平台通信统一架构（OPC UA）从设计之初就将安全性内置于通信框架中。其安全模型涵盖多个层次：在应用层，通过会话加密与签名，确保消息的保密性、完整性和不可否认性；在传输层，支持传输层安全协议（TLS）加密；在用户层，提供基于用户名密码、证书或令牌等多种身份认证与授权机制。每一层安全策略都可以独立配置，允许根据实际安全需求进行灵活部署，构建从网络到应用的纵深防御体系。

十、 发现与连接：服务器发现与端点解析

       通信的第一步是发现与连接。开放式平台通信统一架构（OPC UA）提供了“发现服务器”机制。网络中可能存在一个本地发现服务器，客户端可以通过多播或指定地址的方式查询到可用的开放式平台通信统一架构（OPC UA）服务器列表。每个服务器会公布一个或多个“端点”，端点信息包含了服务器地址、支持的协议、安全策略和安全证书等。客户端根据这些信息，选择匹配的端点并发起连接请求，经过安全握手后建立会话，从而开启正式通信。

十一、 从订阅到通知：高效的数据监控机制

       与开放式平台通信数据访问（OPC DA）类似，开放式平台通信统一架构（OPC UA）也采用订阅模式进行高效数据监控。客户端在会话中创建一个或多个“订阅”，并为每个订阅设置发布间隔。然后在订阅下创建“监控项”，指向地址空间中的特定节点。服务器会按照订阅的节奏，检查监控项的数据变化或事件触发条件。一旦满足条件，服务器便将包含新值或事件信息的“通知消息”放入一个队列，并周期性地以“发布响应”的形式，将一批通知打包发送给客户端，极大地提升了通信效率。

十二、 历史数据的回溯：访问历史数据服务

       开放式平台通信（OPC）通信不仅关乎实时数据，也涉及历史记录。开放式平台通信统一架构（OPC UA）专门定义了“历史访问”服务集。服务器可以将节点值按时间戳归档存储。客户端可以通过该服务，读取原始历史数据、已处理的数据（如平均值、最大值），或基于时间范围、数据量进行查询。这使得上层制造执行系统或数据分析平台能够通过标准通信接口，直接获取设备的历史运行状态，用于质量追溯、性能分析和预测性维护。
十三、 事件驱动的通信：处理非周期性信息

       除了周期性的数据变化，工业系统中还存在大量非周期性的事件，如报警、系统日志、操作记录等。开放式平台通信统一架构（OPC UA）通过“事件”模型来处理这类通信。服务器将事件定义为地址空间中的特定对象，并拥有丰富的属性。客户端可以像订阅数据变化一样订阅事件通知。当事件发生时，服务器会生成一个事件通知，并通过订阅发布通道传递给客户端。这种机制使得关键状态变更和报警信息能够被及时、可靠地传递到监控系统。

十四、 方法调用：双向交互与远程控制

       开放式平台通信（OPC）通信并非总是单向的数据获取，有时需要客户端向服务器下达指令。开放式平台通信统一架构（OPC UA）的“方法调用”服务实现了这种双向交互。服务器可以在地址空间中定义方法节点，客户端在通信中调用该方法，并传入输入参数。服务器执行相应的操作（如启动一个配方、复位设备），并将输出结果返回给客户端。这为远程控制与自动化工作流集成提供了标准的通信手段。

十五、 聚合与冗余：高可用性通信保障

       在关键工业场合，通信的可靠性与连续性至关重要。开放式平台通信统一架构（OPC UA）支持“聚合服务器”和“冗余”等高级特性。聚合服务器可以作为多个底层服务器的代理，为客户端提供统一的数据视图和访问点。冗余则允许配置主备服务器对，当主服务器通信失败时，客户端能够自动或手动切换到备用服务器，确保数据流不中断。这些特性在通信架构层面提升了系统的可用性与鲁棒性。

十六、 从理论到实践：通信部署的关键考量

       在实际部署开放式平台通信（OPC）通信时，需要综合考量多个因素。对于经典开放式平台通信数据访问（OPC DA），需仔细配置分布式组件对象模型（DCOM）安全设置与防火墙规则。对于开放式平台通信统一架构（OPC UA），则需根据网络环境选择二进制传输控制协议（TCP）或Web服务协议，合理配置安全策略（如证书管理），并根据数据量和实时性要求调整订阅参数与队列大小。良好的部署实践是通信稳定高效运行的前提。

十七、 桥接经典与现代：开放式平台通信数据访问（OPC DA）到开放式平台通信统一架构（OPC UA）的转换

       在现有大量经典开放式平台通信数据访问（OPC DA）设备与系统向开放式平台通信统一架构（OPC UA）迁移的过程中，“包装器”或“网关”扮演了关键角色。这类软件作为开放式平台通信统一架构（OPC UA）服务器运行，但其后端通过分布式组件对象模型（DCOM）与一个或多个经典的开放式平台通信数据访问（OPC DA）服务器通信，将后者的数据实时映射到自己的开放式平台通信统一架构（OPC UA）地址空间中。这样，支持开放式平台通信统一架构（OPC UA）的新客户端就能通过新的协议与安全模型，无缝访问旧系统的数据，实现了通信技术的平滑演进。

十八、 展望未来：通信技术的发展趋势

       开放式平台通信（OPC）的通信技术仍在持续演进。开放式平台通信统一架构（OPC UA）正在与时间敏感网络、5G等技术结合，以满足超高可靠低延迟通信的需求。其信息模型也在不断扩展，通过与自动化标记语言、现场设备集成等标准协同，构建更丰富、更语义化的行业垂直模型。未来，开放式平台通信（OPC）通信将更加深入云端、边缘计算和物联网领域，成为驱动工业互联网与智能制造数据自由流动的、更加智能和安全的神经网络。

       综上所述，开放式平台通信（OPC）的通信是一个从简单数据访问到复杂信息交互，从依赖特定平台技术到拥抱开放标准，从忽视安全到内建安全体系的持续进化过程。无论是经典的客户端服务器交互模式，还是开放式平台通信统一架构（OPC UA）中基于会话、服务与安全模型的综合通信框架，其核心目标始终如一：在异构的工业环境中，实现可靠、高效、安全且富含语义的数据交换。深入理解这些通信机制，是成功设计、部署和维护现代化工业系统的关键所在。