《OPC统一架构与5G集成技术规范 第1部分：通用要求（征求意见稿）》.docx

Q/LB.□XXXXX-XXXX ICS 25.040 CCS N10 团 体 标 准 T/CAMS xx—xxxx       OPC统一架构与5G集成技术规范 第1部分：通用要求 OPC UA and 5G Cellular Network Integration Technical Specification-Part 1: General Requirements xxxx - xx - xx发布 xxxx - xx - xx实施 中国机械工业标准化技术协会  发布 目次 前言 1 引言 2 1 范围 3 2 规范性引用文件 3 3 术语和定义 3 4 缩略语 4 5 系统集成架构 4 5.1 部署参考架构 4 5.2 接入方式 5 5.3 通信模型及集成部署方式 5 5.3.1 客户端-服务器模型 5 5.3.2 发布-订阅模型 6 6 协议集成架构 7 6.1 业务承载方式 7 6.2 数据传输方式 7 6.3 通用集成接口 7 7 业务集成要求 8 7.1 概述 8 7.2 QoS映射要求 9 7.3 QoS协商要求 9 7.4 QoS监控要求 9 7.5 服务发现要求 9 7.6 设备行为协商要求 9 7.7 5G能力开放要求 9 7.8 时间同步要求 9 8 网络管理集成要求 9 9 应用模型要求 9 9.1 5G能力开放网元/网关信息模型要求 9 9.2 5G工业终端信息模型要求 9 10 安全要求 10 10.1 概述 10 10.2 功能安全 10 10.3 信息安全 10 附录A （资料性附录） 3GPP SA5定义的管理模型 11 附录B （资料性附录） OPC UA服务发现流程 14 T/CAMS xx—xxxx 前言 本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业标准化技术协会提出。 本文件由中国机械工业标准化技术协会仪器仪表及自动化专业委员会归口。 本文件起草单位： 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、华为技术有限公司 本文件主要起草人：于海斌、公彦杰、王振、陈晓光、赵艳领、曾鹏、许驰、张永靖、李栋、侯辉、朱锦涛、庞伶俐、韩丹涛、胡永康。 引言 第五代移动通信技术（简称：5G）具有大带宽、广联接和低时延的特性，基于5G的工业无线通信能够满足工业场景中数目众多的进行柔性组网的通信需求。例如：制造商可以通过5G将制造装备和其他机器、工具、工厂和仓库中的资产连接起来，也可以将信息系统与各种设备相连，为相关各方提供更丰富的可操作、可追溯、可定位的信息，助力工业向数字化、信息化和智能化的转型。 IEC TR 62390定义了各个层的任务，现场的网络包括互联（物理介质、接口、数据访问的层级问题）、互通（主要在通信层，参数类型一致性定义），而应用层的语义、应用的行为以及动态功能则是设备行规的范畴，这一层是OPC UA发挥作用的领域，其核心在于统一规范——OPC UA并不包含具体的技术，而是使得各个不同的总线、实时以太网获得统一的语义交互规范。 5G作为新兴技术，缺少应用层语义交互的统一描述语言，OPC UA和5G无线通信技术的融合应用，在应用层提供了5G的使用规范，提高了5G的易用性和交互能力，是实现5G工业设备集成互联互通、语义互操作、柔性可重构等关键技术的重要支撑，赋能工业应用场景更多的可能性。 本文件是指导OPC UA与5G集成应用的通用技术标准，旨在提出OPC UA与5G工业集成应用的通用架构及基本要求，为工业用户、系统集成商、系统供应商、运营商等提供应用指导，简化集成复杂度。 ——第1部分：通用要求。规定了OPC UA与5G融合应用的组网架构、基本概念、OPC UA与5G集成基本要求，为工业用户、系统集成商、系统供应商、运营商等提供应用指导。 ——第2部分：业务规范 ——第3部分：管理规范 ——第4部分：安全规范 ——第5部分：测试规范 OPC UA与5G集成技术规范 第1部分：通用要求 1　 范围 本文件定义了OPC UA与5G通信技术集成应用的通用技术要求。 本文件可用于解决从底层5G通信到上层应用软件统一访问的集成与互操作问题，适用于系统集成商、系统供应商、最终用户等。 2　 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 国标计划20184670-T-604 基于蜂窝网络的工业无线通信规范 第1部分 通用技术要求 国标计划20213051-T-604 基于蜂窝网络的工业无线通信规范 第5部分 应用规范 3　 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 生存时间 survival time 使用通信服务的应用程序在没有预期消息的情况下可能继续的时间。 [来源：国标计划20213051-T-604，6.3] 3.2 主认证 primary authentication 5G中设备和5G之间进行的相互认证。 3.3 二次认证 secondary authentication 5G中设备和移动运营商域外的数据网络进行认证。 3.4 可靠性 reliability 在数据包传输的上下文中指定目标服务所需的时间限制内，成功传送到给定系统实体的已发送数据包总数的百分比值。（比如丢包率，错包率等可以体现在该指标中）。 3.5 可用性 availability 通信服务可用性要求，以百分比表示，是指按照约定的QoS提供端到端传输服务的时间除以期望工业蜂窝网络在特定区域按照规范要求提供端到端传输服务的时间。 [来源：国标计划20213051-T-604，6.3] 3.6 5G工业终端 5G industrial terminal 集成5G模组的工业设备。 3.7 用户设备 user equipment 允许用户接入网络的设备。 3.8 看门狗 watchdog 一种硬件装置（通常是一个计时器或驱动器），用于监视连续运行的系统是否正常、功能是否发挥出来，这要通过与使用专用的设备驱动程序的系统软件进行通信来完成。 用于监控软件资源占用状态的定时计数器。在程序运行后启动看门狗，看门狗开始自动计数，程序需要定期清零该计数器，即所谓的喂狗，若超时不清零看门狗，则看门狗计数器溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。看门狗的作用就是防止程序发生死循环。 4　 缩略语 5G 5th Generation mobile communication technology 第五代移动通信技术 5GS 5G System 5G系统 OPC UA Open Platform Communications Unified Architecture 开放平台通信统一架构 UPF User Plane Function 用户面功能，用户面功能网元 UE User Equipment 用户设备，用户终端 C/S Client/Server 客户端/服务器 Pub/Sub Publisher/Subscriber 发布端/订阅端 QoS Quality of Service 服务质量 TSN Time Sensitive Network 时间敏感网络 PLC Programmable Logic Controller 可编程控制器 MES manufacturing execution system 制造执行系统 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 数据采集与监视控制系统 ERP Enterprise Resource Planning 企业资源计划 5　 系统集成架构 5.1　 部署参考架构 OPC UA与5G集成系统架构如图1所示，可划分为公共网络、企业IT网和企业OT网等不同域，主要组成单元包括： ——OPC UA设备。包括企业OT域的工业机器人、传感器、执行器、PLC、MES和SCADA等终端设备、企业IT域的ERP、WMS等、公共网络的云平台等，支持OPC UA功能。 ——5G网络设备。包括用户面、控制面、管理面、终端设备（UE）等，提供UE设备接入、设备管控、网络管理、故障诊断等功能，支持OPC UA功能。 图 1 系统集成参考架构 5.2　 接入方式 OPC UA设备接入5G网络包括两种方式: ——5G UE OPC UA设备集成5G UE或外接5G UE，接入5G网络。 ——用户面接口 OPC UA设备通过有线方式连接5G的UPF，接入到5G网络。 5.3　 通信模型及集成部署方式 5.3.1　 客户端-服务器模型 客户端-服务器（C/S）模型采用一对一的“请求-响应”机制，即客户端请求数据或服务，服务器响应请求，并提供数据或服务。C/S模型下，OPC UA服务器的客户端可采用如下集成部署方式。 （1）独立的OPC UA服务器 每台具备5G通信能力的PLC（即5G PLC）都独立配置OPC UA服务器，其内置信息模型相互独立。如图2所示，OPC UA服务器的集成方式包括：内嵌于5G PLC设备，作为外部独立软件，集成至外部网关。上位机/控制器的OPC UA客户端与每台5G PLC的服务器独立交互数据或服务。 图 2 独立OPC UA服务器 （2）共享的OPC UA服务器 多台5G PLC共享网关或外部软件的OPC UA服务器及其信息模型，与上位机/控制器的客户端进行数据或服务的统一交互。 图 3 共享OPC UA服务器 （3）聚合的OPC UA服务器 每台5G PLC都独立配置OPC UA服务器，与上位机/控制器的客户端独立交互数据或服务。上位机/控制器同时集成服务器功能，支持与其他系统的数据或服务交互。 图4 聚合OPC UA服务器 5.3.2　 发布-订阅模型 发布-订阅（Pub/Sub）模型采用一对多或多对一的通信机制，发布端依据一定的规则发布数据，而一个或多个订阅端接收数据。Pub/Sub模型下，OPC UA的发布端和订阅端可采用如图5所示的集成部署方式。 图 5 OPC UA发布-订阅模式 6　 协议集成架构 OPC UA与5G协议集成包括业务承载方式、数据传输方式和通用集成接口三部分，实现OPC UA业务数据在5G的通信。 6.1　 业务承载方式 OPC UA与5G通信集成包括基础5G和TSN桥两种方式，其中： ——基础5G。OPC UA终端可以通过基础5G能力接口与5G交互，可支持实时、非实时的OPC UA业务的通信。 ——TSN桥。5G充当二层网桥，在基础5G能力接口基础上，具备确定性通信能力，可支持实时的OPC UA业务的通信。 5G系统能够同时支持两桶通信集成方式，采用网络切片技术，实现实时、非实时OPC UA业务的同时通信。 6.2　 数据传输方式 OPC UA与5G主要采用2种集成通信架构，包括IP和以太两种方式，以实现OPC UA数据在5G上的传输： ——基于网络层： OPC UA应用层数据封装到IP报文中，然后下发给5G网络或模块，IP封装的目的是5G网络中识别用于过滤和路由的报文； ——基于链路层：OPC UA应用层数据封装到Ethernet帧中，然后下发给5G网络或模块，MAC封装的目的是5G网络中识别用