9月5日，OPC UA正式成為國(guó)家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于OPC UA是什么，為什么選擇OPC UA很多人卻并不了解。以下推薦的這篇文章，將有助于大家全面立理解這一數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
前段時(shí)間與PLCopen主席嚴(yán)義老師探討在PLCopen教育合作項(xiàng)目，據(jù)嚴(yán)老師前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的教材非常少，甚至很多大學(xué)老師也是不了解PLCopen Motion的，這讓人難以接受，因?yàn)?，就我們講“智能”而言，運(yùn)動(dòng)控制的精度與速度關(guān)乎產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，而且，通過(guò)靈活的參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)控制可以讓生產(chǎn)變得更為靈活。我們不管上層架構(gòu)是如何進(jìn)行智能分析與優(yōu)化的，但是，到了制造執(zhí)行層面，如果缺乏運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)、柔性的執(zhí)行，那么無(wú)法達(dá)到所謂的“智能”-執(zhí)行是智能的重要組成，就相當(dāng)于企業(yè)戰(zhàn)略很美好，卻無(wú)法執(zhí)行。
圖1-我們的產(chǎn)業(yè)有太多的理想有待實(shí)現(xiàn)
同樣道理，我們總是探討高大上的云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)，但是，數(shù)據(jù)互聯(lián)卻是第一個(gè)障礙，而同樣道理，OPC UA作為數(shù)據(jù)互聯(lián)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，卻似乎很多人并不了解，甚至很多做所謂工廠集成的人也不是很清楚，在數(shù)據(jù)采集、傳輸與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中，我們會(huì)需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器狀態(tài)、生產(chǎn)能耗、質(zhì)量相關(guān)、生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，但是，如果缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與信息模型，我們會(huì)遇到非常大的困境。
智能制造的美好前景需要底層的技術(shù)支撐，標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范先行，否則，我們就會(huì)離智能制造很遠(yuǎn)—遠(yuǎn)到超出我們的想像。
一、數(shù)據(jù)采集的困境
盡管大家都認(rèn)為大數(shù)據(jù)分析將給我們帶來(lái)巨大制造優(yōu)化潛力，并改善我們的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率、資產(chǎn)管理水平，但是，在現(xiàn)實(shí)的智慧工廠互聯(lián)的時(shí)候，卻困難重重，無(wú)論是IIoT還是大數(shù)據(jù)分析各種概念都給我們以未來(lái)無(wú)限光明的愿景，但現(xiàn)實(shí)卻那么骨感。
1.大量的連接工作耗費(fèi)精力
凡是在做智慧工廠的公司、系統(tǒng)集成商都清楚，包括MES廠商，就光將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)，這個(gè)工作量有多大，為了一個(gè)不大的項(xiàng)目，要去連接各種通信總線、要配置各種機(jī)器的參數(shù)，很多參數(shù)還因?yàn)榧夹g(shù)保密的原因不開放，因此，采集了很多價(jià)值量并不高的數(shù)據(jù)，很多從IT業(yè)過(guò)來(lái)掘金工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的公司都很郁悶，因?yàn)檫@個(gè)錢賺的實(shí)在是太辛苦，以至于他們對(duì)這件事情產(chǎn)生了悲觀情緒。做自動(dòng)化的還好，原來(lái)就是遇到這些問(wèn)題，但對(duì)IT就很慘了，因?yàn)?，這太過(guò)消耗工程師資源。
圖2-數(shù)據(jù)是否讓我們無(wú)所適從?
2.采集什么數(shù)據(jù)不是很清楚
這是一個(gè)困難，對(duì)于如何運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)，往往很多做IT的缺乏對(duì)機(jī)器的了解，對(duì)生產(chǎn)工藝、流程的了解，不能定義清楚需要采集什么樣的數(shù)據(jù)?如何使用這些數(shù)據(jù)?
很多時(shí)候，大家只是說(shuō)“先把數(shù)據(jù)采起來(lái)再說(shuō)”，至于這個(gè)數(shù)據(jù)能干什么，那是以后的事情，先讓數(shù)據(jù)不要流失、浪費(fèi)，但是，如果不知道數(shù)據(jù)的用途，那么你怎么知道你采集的數(shù)據(jù)是對(duì)的?如果采集了一大堆數(shù)據(jù)在用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)少了一個(gè)數(shù)據(jù)不能用于分析工藝對(duì)能耗的影響，那豈非你所有采集的數(shù)據(jù)就沒有用了?
3.數(shù)據(jù)要做什么用不清楚
這又是一個(gè)尷尬，就是要這些數(shù)據(jù)干什么用?如何使用這些數(shù)據(jù)，而這個(gè)問(wèn)題又不再是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，而牽扯到公司的運(yùn)營(yíng)管理水平的問(wèn)題，如果能夠達(dá)到較高的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化管理、并且有先進(jìn)的管理模型，那么這件事情反倒易于理解，因?yàn)槭紫人滥男?shù)據(jù)需要采集，而如果運(yùn)營(yíng)管理水平一般的情況下就會(huì)出現(xiàn)委托第三方系統(tǒng)集成商采集的數(shù)據(jù)不知道該怎么用，這牽扯到企業(yè)的數(shù)字化經(jīng)營(yíng)的策略問(wèn)題。
圖3-我們要這些數(shù)據(jù)干什么?
二、為什么要采用OPC UA?
包括主流的自動(dòng)化廠商，以及IT世界的華為、Microsoft、CISCO等都成為了OPC UA的支持者，以及協(xié)會(huì)組織如OMAC、Euromap、Automation ML、ISA、FDT/DTM、MTConnect、BacNet，以及全球主要的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII均支持與OPC UA的融合與開發(fā)工作，為什么這些國(guó)際自動(dòng)化、IT、基金會(huì)組織、行業(yè)協(xié)會(huì)都聚焦在了OPC UA上?
圖4為結(jié)合OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)文檔，自行設(shè)計(jì)的圖用于闡述采用OPC UA的八個(gè)原因。
圖4-為什么選擇OPC UA?
工業(yè)通信分為互聯(lián)(硬件接口的連接)、互通(軟件層面的數(shù)據(jù)格式與規(guī)范)、語(yǔ)義互操作(語(yǔ)義的定義與規(guī)范)幾個(gè)層面，而各種總線解決的是連接問(wèn)題，而互通解決了應(yīng)用層的匹配，而OPC UA則解決不同系統(tǒng)之間的語(yǔ)義的互操作-包括應(yīng)用行為與動(dòng)態(tài)功能。
獨(dú)立性、安全、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、建模與信息模型、即插即用這些都是從技術(shù)角度來(lái)分析OPC UA何以成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。
三、信息模型的建立
如何理解信息模型?
信息模型是什么?
如果用OPC UA的技術(shù)來(lái)介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與注塑機(jī)進(jìn)行協(xié)同的工作的時(shí)候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數(shù)據(jù)來(lái)保證他們之間的工作一致性呢?這就是數(shù)據(jù)的應(yīng)用問(wèn)題，而同樣道理，我們希望實(shí)現(xiàn)OEE的統(tǒng)計(jì)，那么OEE的計(jì)算就是一個(gè)信息模型，我們需要與之相關(guān)的數(shù)據(jù)，而垂直行業(yè)的信息模型則在于具體的包裝、塑料、印刷行業(yè)所采集的對(duì)象定義不同。
圖5-讓數(shù)據(jù)變得規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)
簡(jiǎn)單理解信息模型就是為了實(shí)現(xiàn)特定任務(wù)，而對(duì)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)封裝，OPC UA提供了一個(gè)如何封裝信息模型的標(biāo)準(zhǔn)，除了已經(jīng)納入到OPC UA架構(gòu)下的PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還支持行業(yè)自定義的信息模型，OPCUA采用面向?qū)ο蟮乃枷耄沟眠@些開發(fā)變得簡(jiǎn)單。
圖6-OPC UA架構(gòu)
圖6是OPC UA的架構(gòu)，它包含了基礎(chǔ)信息模型、行業(yè)信息模型，也包括制造商自定義的信息模型，提供傳輸服務(wù)、發(fā)現(xiàn)功能是基礎(chǔ)的，而信息模型是跨平臺(tái)、跨行業(yè)的應(yīng)用需求。
四、OPC UA的應(yīng)用好處有哪些?
4.1.對(duì)于系統(tǒng)集成而言，OPC UA有哪些好處?
我們必須確保針對(duì)質(zhì)量、效率、能源、維護(hù)等參數(shù)具有統(tǒng)一的模型，這樣可以讓我們做到以下幾點(diǎn)：
(1).軟件復(fù)用：通過(guò)數(shù)據(jù)建模形成的應(yīng)用模塊，如PackML可以讓我們針對(duì)包裝機(jī)與MES相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，可以通過(guò)一個(gè)模塊的調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)用。這就像貝加萊的mapp中的PackML、Euromap軟件模塊一樣。
(2).關(guān)注點(diǎn)分離與軟件模塊化：通過(guò)共享的信息模型，OPC UA讓面向服務(wù)(SoA)的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，由于采用了關(guān)注點(diǎn)分離的設(shè)計(jì)思想，HMI與應(yīng)用程序可以分離，而數(shù)據(jù)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)分離，可以由不同的應(yīng)用程序讀取共享信息模型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分析、顯示應(yīng)用的各行其道。
像早期的Andriod一樣，很多現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用存在著一些類似的問(wèn)題，你必須為每種不同的屏幕開發(fā)相應(yīng)的畫面，因?yàn)闊o(wú)法自適應(yīng)這些尺寸，尤其是那些非標(biāo)的規(guī)格，而另一方面大量的程序員也面臨著HMI與應(yīng)用程序之間的復(fù)雜耦合關(guān)系帶來(lái)的麻煩。
在程序開發(fā)中也存在這樣的問(wèn)題，當(dāng)HMI與應(yīng)用程序之間出現(xiàn)一方修改時(shí)，另一方也得修改，另外一方面，針對(duì)不同的屏幕尺寸需要采用不同的畫面設(shè)計(jì)。對(duì)OEM廠商而言，這便意味著為了個(gè)性化的機(jī)器，必須反復(fù)的修改畫面和程序、并對(duì)不同尺寸規(guī)格的HMI進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
圖7-mappVIEW借助于OPC UA實(shí)現(xiàn)關(guān)注點(diǎn)分離
圖7所示的mappVIEW技術(shù)即通過(guò)OPC UA實(shí)現(xiàn)了HMI與程序的關(guān)注點(diǎn)分離，使得修改HMI畫面的組態(tài)界面、流程與應(yīng)用程序無(wú)關(guān)，而應(yīng)用程序的修改也不會(huì)影響HMI的畫面。并且，任意尺寸規(guī)格的HMI、智能終端均可自適應(yīng)的訪問(wèn)機(jī)器數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，關(guān)注點(diǎn)分離也是模塊化軟件實(shí)現(xiàn)的主要方式，這與軟件模塊化可以列入同一優(yōu)點(diǎn)描述。
(3).大量的節(jié)約工程時(shí)間：由于采用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)模型，使得數(shù)據(jù)僅需配置，而無(wú)需大量的編程操作，另外，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包一次性讓與任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)被讀取，而無(wú)需很多次的調(diào)用不同的參數(shù)，這也節(jié)省了工程時(shí)間。
(4).最大化數(shù)據(jù)應(yīng)用：設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、維護(hù)等能夠在同一架構(gòu)下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)價(jià)值的最大化發(fā)揮。就像Automation ML一樣，從工程設(shè)計(jì)平臺(tái)到工藝輔助平臺(tái)、MES、控制層數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下的連接和分享。
OPC UA在整體上使得在工廠的各個(gè)環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了透明交互，并且，配置效率更高，程序與應(yīng)用模塊化更強(qiáng)，使得工廠組織更為便利，即使面對(duì)復(fù)雜的變化，也可以實(shí)現(xiàn)快速的切換。
4.2.行業(yè)信息模型帶來(lái)快速數(shù)據(jù)配置與采集
(1).無(wú)關(guān)PLC是誰(shuí)家的：如果我不用在乎誰(shuí)家的控制器開發(fā)的注塑機(jī)、機(jī)械手的系統(tǒng)，而是直接通過(guò)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)配置即可訪問(wèn)到機(jī)器，那是否很方便的呢?
顯然，這是今天做工廠集成項(xiàng)目的人的最美好想法，可現(xiàn)實(shí)中卻并非如此，也是可以連接的，他們需要針對(duì)不同的控制器配置不同的軟件程序、而且還需要不同的接口模塊來(lái)支撐，但是如果無(wú)論你采用何種品牌控制器、采用何種現(xiàn)場(chǎng)總線，只要你采用OPC UA，我們就可以相互訪問(wèn)和配置機(jī)器的參數(shù)，那么這是否會(huì)讓工廠的集成人員變得工作簡(jiǎn)單很多呢?
Euromap 77是基于OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的注塑機(jī)通信模型，包括了注塑機(jī)信息、配置、狀態(tài)、模具、驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)象，也包括Job、數(shù)據(jù)集管理的數(shù)據(jù)模型，如圖8所示。
圖8-Euromap 77基于OPC UA的注塑機(jī)信息模型開發(fā)
對(duì)于PackML而言，其旨在提供相應(yīng)的能力去連接MES與質(zhì)量數(shù)據(jù)，其實(shí)，對(duì)于PackML而言，圖9的機(jī)器狀態(tài)使得機(jī)器的時(shí)間統(tǒng)計(jì)變得簡(jiǎn)單，而PackML正是遵循了OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。
圖9-PackML的設(shè)備狀態(tài)
通過(guò)圖9所示的狀態(tài)與顯示畫面，每個(gè)按鍵按下都會(huì)記錄時(shí)間，最終與設(shè)備OEE統(tǒng)計(jì)相關(guān)的時(shí)間將被用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率的統(tǒng)計(jì)分析。
(3).實(shí)現(xiàn)OICT融合的數(shù)據(jù)融合
OICT的融合，必然使得跨平臺(tái)的IT與OT系統(tǒng)在語(yǔ)義方面需要融合，每個(gè)人必須懂得另一個(gè)人所說(shuō)的每局話的含義，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式、單位標(biāo)準(zhǔn)(公斤、瓦特、米、秒、小時(shí))、能源采集的標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)集的統(tǒng)一。
邊緣計(jì)算正在連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而OPC UA則是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，用于實(shí)現(xiàn)IT與OT的互聯(lián)，如圖10，注塑機(jī)的參數(shù)通過(guò)Euromap標(biāo)準(zhǔn)被管理、分析系統(tǒng)讀取并通過(guò)OPCUA將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)至機(jī)器。
圖10-基于OPC UA實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)新工廠與老工廠的集成
事實(shí)上，各個(gè)行業(yè)都在大張旗鼓的推進(jìn)著智能制造，但是，就基礎(chǔ)的而言，OPC UA、PLCopen等標(biāo)準(zhǔn)化工作是必須先行的，當(dāng)然也包括基于IEC 61508的功能安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)器人的ISO 10218等。
這就是想說(shuō)的“智能制造離我們還有多遠(yuǎn)?”—我們應(yīng)該基礎(chǔ)工作做好。不僅產(chǎn)業(yè)里，包括大學(xué)里的課程，關(guān)于互聯(lián)互通這些問(wèn)題還停留在久遠(yuǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，而無(wú)視產(chǎn)業(yè)已經(jīng)大量的采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，而新的TSN也將在不久與OPC UA融合成為可以預(yù)見的未來(lái)互聯(lián)集成方案。
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