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OPC UA I/O 模組
OPC UA I/O 模組是一系列提供 IIoT 通訊服務的 Ethernet I/O 模組，又稱 UA I/O 或 U-7500 系列。提供雙乙太網路埠 (Dual-port Ethernet switch)，可用於建構 Daisy Chain 網絡拓墣，可簡化線路配置與維護的複雜度，降低佈線成本與交換器的需求，提高網絡擴充性。並遵照 IEEE 802.3af 標準 (classification, Class 2) 中的 Power over Ethernet (PoE) 規範，可在 PoE 網絡環境下透過網絡線 (Category 5) 傳送電力。此功能提供了更大的靈活性及效率以簡化系統設計、節省空間並減少電線及電源插座的需求。
在工業務聯網通訊支援上，模組本身即提供工業物聯網的通訊協議功能，包括 OPC UA Server / Client、MQTT Client、RESTful API 通訊功能 (三種通訊可同時執行)，可讓用戶可依需求及環境選擇連網通訊方式，直接將 I/O 通道的數值交由雲端系統或現場端控制系統呈現、分析或決策。並且支援 Scaling，讓類比訊號透過轉換成為可讀性更高的數值; 支援邏輯功能的規則設定 IF, THEN, ELSE，可設定 I/O 與軟體點的邏輯判斷; 支援排程功能，可將設定好的規則加入排程，達到在特定的時間執行規則; 支援 RESTful API 功能，可透過 HTTP 和 HTTPS(身分驗證與通訊加密) 讀寫 I/O 和軟體點。
在平台連接方式的資訊安全與資料安全, 分別提供如下表的功能, 加強 I/O 聯網安全性 :
| 各種平台連接方式 | OPC UA、MQTT、RESTful API 可同時使用 |
|---|---|
| 連接 Cloud | OPC UA、MQTT |
| 連接 SCADA | OPC UA、MQTT |
| 連接 MES | OPC UA |
| 連接 IT | MQTT、RESTful API (HTTP、HTTPS) |
| 安全性 | I/O 聯網安全功能 |
|---|---|
| 資訊安全 | HTTPS、指定連接埠、白名單、ICMP drop |
| 資料安全 | 憑證 (X.509)、通訊加密 (SSL/TLS) |
UA I/O 系列在設定上，提供網頁操作界面，用戶可透過網頁瀏覽器，設定模組組態、控制模組的輸出通道、監視模組連線與 I/O 狀態，過程簡單、快速，並且無需額外安裝軟體。
OPC UA 架構:
特色
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內建 OPC UA Server 服務
符合 IEC 62541 工業自動化統一架構通訊標準，提供主動式傳輸, 加密傳送 (SSL/TLS), 身份驗證 (X.509 憑證/帳密), 通訊錯誤偵測與恢復機制等服務功能，讓 SCADA 或 OPC UA Client 連線，允許 OPC UA Client 連線時最高 3 個任務 (Sessions) 數量。
- 內建 OPC UA Client 服務
符合 IEC 62541 工業自動化統一架構通訊標準，提供加密傳送 (SSL/TLS), 身份驗證 (X.509 憑證/帳密), 與 OPC UA Server 連線。
- 內建 MQTT Client 服務
符合 MQTT V.3.1.1 版協議，提供物聯網主動式 M2M 通訊傳輸, 訊息 QoS 品質機制與保留機制, 身分驗證與通訊加密, 最後留言(Last Will) 等功能。
- 支援 RESTful API 功能
可透過 HTTP 讀寫 I/O 和軟體點。
也提供高安全性的 HTTPS ( 身分驗證與通訊加密 ) 讀寫 I/O 和軟體點。
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- 支援 同時執行 OPC UA、MQTT、RESTful API 通信功能
- 支援 IoTstar 雲端管理軟體
UA I/O 出廠版本 9.7 之後的版本, 支援此功能。
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- 支援 Scaling
AI/AO 模組支援 Scaling，讓類比訊號透過轉換成為可讀性更高的數值。
- 支援 邏輯功能的規則設定 IF, THEN, ELSE
可設定實體 I/O 和軟體點的邏輯判斷。
- 支援 排程功能
可將設定好的規則加入排程，達到在特定的時間執行規則。
- 支援 Event Log 事件日誌功能
當 I/O 值改變時，記錄當下 I/O 值，便於日後做設備追蹤。
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內建網頁伺服器，提供 Web 介面服務
使用者可透過網頁操作界面設定模組組態、控制模組的輸出通道、監視模組連線與 I/O 狀態，過程簡單且快速並且無須額外安裝軟體。
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多樣化選擇
不同型號提供不同AI, AO, DI, 或DO通道，使用者可依案場需求選擇所需型號。
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提供雙乙太網路埠，支援 Daisy Chain 串接埠線
提供雙乙太網口 (Dual-port Ethernet switch)，可用於建構 Daisy Chain 網路拓墣，可簡化線路配置與維護的複雜度，降低佈線成本與交換器的需求，提高網路擴充性。
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IEEE 802.3af 標準 Power over Ethernet (PoE)
遵照 IEEE 802.3af 標準 (classification, Class 2) 中的 Power over Ethernet (PoE) 規範，可在 PoE網路環境下透過網路線 (Category 5) 傳送電力。此功能提供了更大的靈活性及效率以簡化系統設計、節省空間並減少電線及電源插座的需求。
優點
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選型表
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OPC UA I/O 模組
U-7000 系列: 內建 OPC UA Server 和 MQTT Client 服務
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| 模組 | AI | AO | DI | DO | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 通道 | 型態 | 通道 | 型態 | 通道 | 型態 | 通道 | 型態 | |
| U-7502M | 3 | ±150 mV, ±500 mV, ±1 V, ±5V, ±10 V, +0 mA ~ +20 mA, ±20 mA, 4 ~ 20 mA |
- | - | 6 | Wet (Sink,Source) | 3 | Power Relay Form A (SPST N.O.) |
| U-7504M | 4 | ±500mV, ±1V, ±5V, ±10V, 0~20mA, ±20mA, 4~20mA |
4 | 0~5V, ±5V, 0~10V, ±10V, 0~20mA, 4~20mA |
4 | Dry (Source), Wet (Sink) |
- | - |
| U-7515M | 7 | Pt100, Pt1000, Ni120, Cu100, Cu1000 |
- | - | - | - | - | - |
| U-7517M | 8 | ±150 mV, ±500 mV, ±1 V, ±5 V, ±10 V ±20 mA, 0 ~ 20 mA, 4 ~ 20 mA |
- | - | - | - | 4 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7517M-10 | 10/20 | ±150mV, ±500mV, ±1V, ±5V, ±10V, ±20mA, 0~20mA, 4~20mA |
- | - | - | - | - | - |
| U-7518ZM/S | 10 | ±15 mV, ±50 mV, ±100 mV, ±500 mV, ±1 V, ±2.5 V, ±20 mA, 0 ~ 20 mA, 4 ~ 20 mA Thermocouple: J, K, T, E, R, S, B, N, C, L, M, LDIN43710 |
- | - | - | - | 3 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7518ZM/S2 | ||||||||
| U-7519ZM/S | 10 | ±15mV, ±50mV, ±100mV, ±150mV, ±500mV, ±1V, ±2.5V, ±5V, ±10V, ±20mA, 0~20mA, 4~20mA Thermocouple: J, K, T, E, R, S, B, N, C, L, M, LDIN43710 |
- | - | - | - | 3 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7519ZM/S2 | ||||||||
| U-7524M | - | - | 4 | 0~5V, ±5V, 0~10V, ±10V, 0~20mA, 4~20mA |
5 | Dry (Source) Wet (Sink) |
5 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7526M | 6 | ±500 mV, ±1V, ±5V, ±10V, 0~20mA, ±20mA, 4~20mA |
2 | 0~5V, ±5V, 0~10V, ±10V, 0~20mA, 4~20mA |
2 | Dry (Source) Wet (Sink) |
2 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7528M | - | - | 8 | 0~5V, ±5V, 0~10V, ±10V, 0~20mA, 4~20mA |
- | - | - | - |
| U-7542M | - | - | - | - | - | - | 16 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7544M | - | - | - | - | 8 | Wet (Sink,Source) | 8 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7545M | - | - | - | - | - | - | 16 | IsolatedOpen Collector (Source) |
| U-7550AM | - | - | - | - | 12 | Dry (Source) Wet (Sink)- |
6 | Isolated Open Collector (Sink) |
| U-7551M | - | - | - | - | 16 | Wet (Sink,Source) | - | - |
| U-7552M | - | - | - | - | 8 | Wet (Sink,Source) | 8 | IsolatedOpen Collector (Source) |
| U-7553M | - | - | - | - | 16 | Dry (Source) | - | - |
| U-7555M | - | - | - | - | 8 | Dry (Source), Wet (Sink,Source) |
8 | IsolatedOpen Collector (Source) |
| U-7558M | - | - | - | - | 8 | Wet (Sink/Source) | - | - |
| U-7559M | - | - | - | - | 8 | Wet (Sink/Source) | - | - |
| U-7560M | - | - | - | - | 6 | Wet (Sink/Source) | 6 | Power Relay Form A (SPST N.O.) |
| U-7561M | - | - | - | - | - | - | 11 | Power Relay Form A (SPST N.O.) |
| U-7567M | - | - | - | - | - | - | 8 | Power Relay Form A (SPST N.O.) |
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OPC UA
戰情圖控最主要的目的，是提供廠區管理人員，維持廠區正常工作的可視資訊。採用AVEVA™ Edge設計、佈署的戰情圖控，可以呈現產線、廠務、IP設備的資安拓樸與攝影機的即時資訊與影像，並且在設備異常時顯示告警訊息，利於管理人員快速排除異常。此外，即時資訊的儲存與調用也是戰情圖控的重要功能。戰情圖控的廠務、生產即時資訊來源，是透過TCP/IP的OPC UA協議取得，有別於採用Modbus TCP協議的圖控架構，以下列出幾個協議常見的差異:
- OPC UA 有Client/Server及發佈-訂閱兩種通訊模式，而 Modbus 則是使用一問一答的 Client/Server 架構進行通訊。
- OPC UA 包含加密、驗證和存取控制等安全功能，而 Modbus 則沒有。
- Modbus 專為工業控制系統而設計，通常用於存取可程式控制器、驅動器和感測器等設備的資料。
- OPC UA 基於 TCP/IP 協議進行通信，可以部署在任何支援此協議的硬體和軟體平台上，並可與不同的設備和系統進行互動，無論其製造商或位置如何。相較之下，Modbus 旨在與支援 Modbus 協定的有限數量的設備和系統配合使用。
UA通訊服務器UA-2241M，在此例中收集產線與廠務設備資料後, 轉換成OPC UA協議後再提供給戰情圖控。轉換成OPC UA協議的最主要好處有二，一是減少通訊封包數量，二是保障TCP層資料傳輸的安全性。
UA I/O系列的U-7555M，應用在廠區燈控，除了具備上述OPC UA協議的優勢外，也使用UA I/O內的邏輯控制，判斷燈光的實際開、關狀態，減少TPD-703的開發邏輯撰寫。另外，UA I/O的排程功能，也可對廠區燈光做排程關閉，避免下班時間燈光沒有關閉的情形。
OPC UA 有 Client/Server 也有 發布-訂閱模型
Ans: OPC UA Client 是一種連接至OPC UA Server並讀取數據的應用程式。OPC UA Client 旨在與一種名為 "OPC UA" 的通用工業自動化協定進行通訊。這種協定的目的是獲得不同系統（例如工作站、工具、生產機器等）之間的互聯性，使其能夠在同一系統內進行數據交換和控制。OPC UA Client 的主要功能是從 OPC UA Server 讀取數據（例如感測器數據、生產數據等），並以可讀取的方式顯示在使用者界面上。
OPC UA Client 可以滿足於以下系統、裝置或場景需求：
A. 工業自動化系統
B. 智慧家庭
C. 微型控制器
D. IoT 系統
E. 監控和控制系統
F. 生產自動化系統
由於 OPC UA Client 可以讀取和顯示許多器件和設備的數據，因此在實際應用當中，它可以作為一個跨平臺和跨設備顯示數據的應用程式，能夠兼容最新的工業標準。在設置 OPC UA Client 之前，必須確保與該客戶端相關的通訊適配器已經連接至要訪問的 OPC UA Server。這種適配器通常是基於電腦網絡協定（如TCP/IP）的數據網絡。通過配置必要的連接參數（例如 URL、交換協定等），客戶端即可與 OPC UA Server 連接。
OPC UA Server的主要任務是管理資料模型，該模型描述了系統內不同資料項目之間的關係。通過將數據整合到統一的資料模型中，OPC UA Server可以從各種不同的數據源中獲取數據。例如，OPC UA Server可以從PLC、計量儀表、傳感器和其他裝置中獲取數據，然後將其轉換成統一的資料格式，並將其發送到客戶端。
此外，OPC UA Server還負責安全性和權限管理。它可以通過對數據進行加密、訪問控制和認證等機制，確保數據在傳輸過程中的安全性。此外，使用者可以通過權限管理對不同用戶分配不同的權限，以保護數據的安全性。
Ans: OPC UA的Client/Server通訊模式是OPC的傳統通訊架構。這個過程從Client向Server發起連線請求開始，然後由Server驗證身分並給予連線結果回應。當Client需要從Server端的Item取得數據時，可以送出訂閱和監看Item數據的請求給Server。當Server端的數據有變化時，它會主動回應給Client。此外，當Client需要改變Item數據時，它也需要主動發出數據寫入請求給Server，然後Server會回應寫入結果。
| Company | Client Name | Platform | License | Download link | Last version |
|---|---|---|---|---|---|
| Unified Automation | UA Expert | Windows | Free | http://bit.ly/UaExpert | 1.7.0 (2023-07-13) |
| Prosys | OPC UA Browser | All (java) | Free | http://bit.ly/ProsysOpcUaClient | 4.4.0 (2022-11-28) |
| Softing | OPC UA Demo-Client | Windows | Free | http://bit.ly/SoftingOpcUa | 2.30.0 (2022-01-13) |
| Free OPC UA | OPC UA Client GUI | All (Python) | Free | http://bit.ly/FreeOpcUA | 0.8.4 (2022-01-31) |
| Kepware | OPC UA Client Driver | Windows | Commercial | http://bit.ly/KepwareOpcUa | |
| Node OPC UA | OPC UA Commander | All (JS) | Open-source | http://bit.ly/NodeOpcUaClient | 0.31.0 (2023-07-20) |
| UA I/O系列 | UA 通訊服務器 | |||
|---|---|---|---|---|
| U-7000系列 | UA-2841M | UA-5231/UA-2241 系列 | UA-7231M | |
| OPC UA Server 連線數 | 3 | 50 | 20 | 20 |
| OPC UA Client 連線數 | 1 | 不支援 | 不支援 | 不支援 |
| UA I/O系列 | UA 通訊服務器 | |||
|---|---|---|---|---|
| U-7000系列 | UA-2841M | UA-5231/UA-2241 系列 | UA-7231M | |
| OPC UA Server | O | O | O | O |
| OPC UA Client | O | X | X | X |
| MQTT Broker | X | O | O | O |
| MQTT Client | O | O | O | O |
| MQTT JSON | O | O | O | O |
| Modbus RTU Master | X | O | O | O |
| Modbus TCP Master | X | O | O | O |
| EtherNet/IP | X | O | O | O |
| SNMP V3 Agent | X | O | X | X |
| RESTful API | O | O | X | X |
| Remote SQL Data Log | X (註解1) | O | O | O |
| Local Data Log | O | O | O | O |
| IFTTT | X | O | O | O |
| IoTstar | O | X | X | X |
此應用案例已被多家石化行業採用，並運行良好。
OPC UA I/O 模組: U-7500系列應用案例
[客戶需求]
1. 監控廠區內的馬達特殊輸出電流。
2. 資料高安全性傳輸。
3. 客戶端需求透過無線監控廠區。
1. 配合監控廠區內的馬達特殊輸出電流而設計
由於一般電錶輸入頻率為50 / 60 Hz，而現場的馬達輸出頻率為50 / 6000Hz。採用一般的電錶做馬達監控，精密度是不夠的。 所以，改用高頻率的CT來監控馬達輸出電流。
2. 提升資料高安全性傳輸
U-7500系列模組將取得的馬達電=流資料，透過OPC UA、MQTT具有高安全性的 協議來傳遞資料，讓廠區的資訊安全再提升。
3. 部署客戶端透過無線監控廠區
透過RJ45轉Wi-Fi的轉接頭，將廠區有線訊號轉成無線訊號傳輸，讓客戶在廠區的任何地方皆可監控工廠內馬達的狀況。
[ UA I/O模組馬達監控應用架構]：
使用泓格科技 IoTstar with UA I/O 方案於監控系統產能上，能帶來諸多效益。此應用案例，客戶透過 IoTstar 雲端管理軟體與UA I/O 模組系列結合，架設環境設施的雲端物聯網監控系統，管理者可獲得下列多個效益。
** UA I/O 系列自出廠版本 V9.7 之後，支援 IoTstar 雲端管理軟體功能。
1. 全程無須撰寫程式
從環境參數資訊收集到雲端資料庫儲存，全程無須撰寫程式，僅需透過網頁介面操作即可完成。
2. 產線設備運作資訊完整收集與監控
透過 IoTstar Dashboard Service 可即時查詢並了解案場環境參數狀態。產線設備運作的資訊能完整收集與監控。
3. 減輕因設備維護作業成本
透過 IoTstar Remote Access Service，可對環境監控設備進行雲端狀態監控、設定調整與韌體更新，減輕因設備維護作業所衍生人員移動的時間與成本。
[ IoTstar with UA I/O 模組環境設施監控應用架構]：
隨著物聯網興盛，日常生活也導入各項智慧設備，智慧燈控不僅能依情境調光來達成節能，也可加入數據分析，對管理者發送照明設備維護提醒。然而智慧燈控也會面臨資安攻擊事件威脅，泓格在生醫廠完整架設智慧燈控系統，提供穩定照明的同時，也能透過系統提醒，即時安排廠區設備預防保養，用最小化管理成本達到最大效益。
實現智慧燈控系統時，新技術的應用除了幫助人與空間的互動更加便利外，保留傳統燈控的面板開關除可減少新技術與人的距離，也提供燈控模組需要維修時，照明設備依舊提供服務。此外，智慧燈控使用網路介面傳輸資料的安全性，在日益增加的資安攻擊事件威脅下也需要考量。
系統架構
泓格在生醫廠智慧燈控系統上，除了傳統燈控的照明裝置與實體開關外，增加六個單元來組成，由照明服務空間往上至廠務管理單位分別是燈控盤、網路交換器、觸控屏、通訊服務器、廠務監控系統與資安監測預警系統。
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智慧燈控的實現還可以和各種感測器整合，實現依據情境的調光功能達到節能效果，也可加入數據分析，對管理單位發送照明設備維護提醒，於最小化的人力管理成本達到最大化的服務效益。
1. 燈控盤
控制核心是U-7555M 模組，模組上的數位輸出與輸入分別結線到照明裝置迴路與照明面板開關的繼電器，此模組也提供邏輯與排程控制，成為可單獨運作的智慧燈控模組。U-7555M 提供三種高安全性的資料交換協議，OPC UA、MQTT 與Restful API(https)，透過這幾種協議與廠務監控系統整合可大幅降低資安風險。
2. 網路交換器
網路交換器串接燈控盤內的控制核心U-7555M、使用單位期望安裝於隔間牆上的觸控屏並且併入廠區主網路，由於使用的通訊協議特性都不是輪詢機制，所以對廠區頻寬的要求極低。
3. 觸控屏
觸控屏可選用2.8 吋、4.3 吋或7吋，小尺寸適用於服務空間內僅有照明裝置需要開關 ， 大尺寸適用於服務空間內有其他智慧建築可一併整合的裝置，例如空調( 送風機或室內獨立空調)、門禁、電力資訊、環境感測器資訊( 溫、濕度、CO2、VOC) 等，也可整合排程控制介面用於區域燈光、空調。
4. 通訊服務器
BRK-2841M，提供MQTT 協議的Broker 功能， 用於MQTT 訊息派發與代理， 符合MQTT V.3.1、3.1.1 及5.0 版協議，支援 QoS 訊息品質機制、保留機制、身分驗證、通訊加密、最後留言 (Last Will) 及橋接功能等MQTT 功能。支援Web UI 設定方式快速設定BRK 功能，可減少個人自行架設Broker 的負擔及降低維護成本。此外提供叢集、橋接、平衡負載及高可用性功能，可藉由多台BRK 產品組成高可用性(High Availability) 系統，防止現場系統因故障導致服務停止問題。
5. 廠務監控系統
使用AVEVA Edge 開發整合廠區內的水、電、氣、空調、燈光、消防、門禁等廠務設備資訊，提供即時必要呈現資訊於廠務人員電腦、手持設備與非即時但需要儲存資訊於資料庫，前者提供廠區穩定生產環境，後者用於資料分析，應用於設備正常( 預防) 保養通知、廠區節能策略等。
6. 資安監測預警系統
廠區內的網路規劃參考工控物聯網的Purdue 模型建置外，因廠區建置添購的多數設備，仍無法提供具備高安全性的通訊協議，所以另外建置資安監測預警系統，用於即時監測廠區內的IP 設備以及不具備加密通訊協議(Modbus TCP) 的設備，於異常時通知MIS、廠務與紀錄通報。
隨著時代演進，勞力成本不斷地提高、人力短缺，這對注重產能與產品品質的製造業而言無疑是個沉重的負擔，因此如何將[ 資訊數位化] 是一個重要的課題。企業在產業升級的道路上，常發生不知從何處下手，IT 與OT 人員之間認知不同等問題造成整合困難，最終不得不放棄計畫，此案例客戶即是遇到類似問題。
分析案例客戶遇到的困難可分為以下項目:
1. 感測器數值紀錄不易
2. 機台訊息散落
3. 無資料圖形化
泓格科技提出解決方案，使用U-7526M 將類比訊號轉換成為RESTful API / MQTT 數據資料來達成[ 資訊數位化] 目標，再使用BRK-2841M 來將所有訊息進行統整，使得在資料庫、圖控軟體應用上更加靈活，讓廠區狀況更易於掌控與紀錄。
泓格應用架構之優點:
1. 製程狀態數位化便於紀錄
2. 訊息集中管理不散亂
3. 數據圖形化，狀態一目了然
泓格科技架構圖:
整合感知及輸出模組，簡化案場人員配置工作與難度
在客戶同案場的水逆滲透設備資訊化，遇到的問題是空間狹小，無法同時擺放感知模組與控制器。但使用U-7526M 提供類比感知器及OPC UA 服務，可簡單將設備的水質、流量、壓力資料匯集到IT 系統，降低現場人員配置整合負擔。
OPC UA I/O 模組 線上試用
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U-7526M UA I/O模組
帳號 : root
密碼 : root
