9月(yuè)5日，OPC UA正式成爲國家推薦性标準。而對(duì)于OPC UA是什(shén)麽，爲什(shén)麽選擇OPC UA很多(duō)人(rén)卻并不了(le)解。以下(xià)推薦的(de)這(zhè)篇文章(zhāng)，将有助于大(dà)家全面立理(lǐ)解這(zhè)一數據互聯的(de)基礎标準與規範。

前段時(shí)間與PLCopen主席嚴義老師探討(tǎo)在PLCopen教育合作項目，據嚴老師前期的(de)調研發現，與運動控制相關的(de)教材非常少，甚至很多(duō)大(dà)學老師也(yě)是不了(le)解PLCopen Motion的(de)，這(zhè)讓人(rén)難以接受，因爲，就我們講“智能”而言，運動控制的(de)精度與速度關乎産品的(de)質量與生産效率，而且，通(tōng)過靈活的(de)參數設置，運動控制可(kě)以讓生産變得(de)更爲靈活。我們不管上層架構是如何進行智能分(fēn)析與優化(huà)的(de)，但是，到了(le)制造執行層面，如果缺乏運動控制系統的(de)精準、柔性的(de)執行，那麽無法達到所謂的(de)“智能”-執行是智能的(de)重要組成，就相當于企業戰略很美(měi)好，卻無法執行。

圖1-我們的(de)産業有太多(duō)的(de)理(lǐ)想有待實現

同樣道理(lǐ)，我們總是探討(tǎo)高(gāo)大(dà)上的(de)雲平台、大(dà)數據分(fēn)析、人(rén)工智能、物(wù)聯網，但是，數據互聯卻是第一個(gè)障礙，而同樣道理(lǐ)，OPC UA作爲數據互聯的(de)基礎标準與規範，卻似乎很多(duō)人(rén)并不了(le)解，甚至很多(duō)做(zuò)所謂工廠集成的(de)人(rén)也(yě)不是很清楚，在數據采集、傳輸與生産運營中，我們會需要對(duì)現場(chǎng)的(de)機器狀态、生産能耗、質量相關、生産相關參數進行采集，但是，如果缺乏統一的(de)标準與信息模型，我們會遇到非常大(dà)的(de)困境。

智能制造的(de)美(měi)好前景需要底層的(de)技術支撐，标準與規範先行，否則，我們就會離智能制造很遠(yuǎn)—遠(yuǎn)到超出我們的(de)想像。

一

數據采集的(de)困境

盡管大(dà)家都認爲大(dà)數據分(fēn)析将給我們帶來(lái)巨大(dà)制造優化(huà)潛力，并改善我們的(de)生産運營效率、資産管理(lǐ)水(shuǐ)平，但是，在現實的(de)智慧工廠互聯的(de)時(shí)候，卻困難重重，無論是IIoT還(hái)是大(dà)數據分(fēn)析各種概念都給我們以未來(lái)無限光(guāng)明(míng)的(de)願景，但現實卻那麽骨感。

1大(dà)量的(de)連接工作耗費精力

凡是在做(zuò)智慧工廠的(de)公司、系統集成商都清楚，包括MES廠商，就光(guāng)将現場(chǎng)數據采集實現，這(zhè)個(gè)工作量有多(duō)大(dà)，爲了(le)一個(gè)不大(dà)的(de)項目，要去連接各種通(tōng)信總線、要配置各種機器的(de)參數，很多(duō)參數還(hái)因爲技術保密的(de)原因不開放，因此，采集了(le)很多(duō)價值量并不高(gāo)的(de)數據，很多(duō)從IT業過來(lái)掘金工業物(wù)聯網的(de)公司都很郁悶，因爲這(zhè)個(gè)錢賺的(de)實在是太辛苦，以至于他(tā)們對(duì)這(zhè)件事情産生了(le)悲觀情緒。做(zuò)自動化(huà)的(de)還(hái)好，原來(lái)就是遇到這(zhè)些問題，但對(duì)IT就很慘了(le)，因爲，這(zhè)太過消耗工程師資源。

圖2-數據是否讓我們無所适從?

2采集什(shén)麽數據不是很清楚

這(zhè)是一個(gè)困難，對(duì)于如何運營生産系統，往往很多(duō)做(zuò)IT的(de)缺乏對(duì)機器的(de)了(le)解，對(duì)生産工藝、流程的(de)了(le)解，不能定義清楚需要采集什(shén)麽樣的(de)數據?如何使用(yòng)這(zhè)些數據？

很多(duō)時(shí)候，大(dà)家隻是說“先把數據采起來(lái)再說”，至于這(zhè)個(gè)數據能幹什(shén)麽，那是以後的(de)事情，先讓數據不要流失、浪費，但是，如果不知道數據的(de)用(yòng)途，那麽你怎麽知道你采集的(de)數據是對(duì)的(de)?如果采集了(le)一大(dà)堆數據在用(yòng)的(de)時(shí)候發現少了(le)一個(gè)數據不能用(yòng)于分(fēn)析工藝對(duì)能耗的(de)影(yǐng)響，那豈非你所有采集的(de)數據就沒有用(yòng)了(le)?

3數據要做(zuò)什(shén)麽用(yòng)不清楚

這(zhè)又是一個(gè)尴尬，就是要這(zhè)些數據幹什(shén)麽用(yòng)?如何使用(yòng)這(zhè)些數據，而這(zhè)個(gè)問題又不再是一個(gè)技術問題，而牽扯到公司的(de)運營管理(lǐ)水(shuǐ)平的(de)問題，如果能夠達到較高(gāo)的(de)數據精準化(huà)管理(lǐ)、并且有先進的(de)管理(lǐ)模型，那麽這(zhè)件事情反倒易于理(lǐ)解，因爲首先它知道哪些數據需要采集，而如果運營管理(lǐ)水(shuǐ)平一般的(de)情況下(xià)就會出現委托第三方系統集成商采集的(de)數據不知道該怎麽用(yòng)，這(zhè)牽扯到企業的(de)數字化(huà)經營的(de)策略問題。

圖3-我們要這(zhè)些數據幹什(shén)麽?

二

爲什(shén)麽要采用(yòng)OPC UA?

包括主流的(de)自動化(huà)廠商，以及IT世界的(de)華爲、Microsoft、CISCO等都成爲了(le)OPC UA的(de)支持者，以及協會組織如OMAC、Euromap、Automation ML、ISA、FDT/DTM、MTConnect、BacNet，以及全球主要的(de)現場(chǎng)總線基金會如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII均支持與OPC UA的(de)融合與開發工作，爲什(shén)麽這(zhè)些國際自動化(huà)、IT、基金會組織、行業協會都聚焦在了(le)OPC UA上？

圖4爲結合OPC UA的(de)标準文檔，自行設計的(de)圖用(yòng)于闡述采用(yòng)OPC UA的(de)八個(gè)原因。

圖4-爲什(shén)麽選擇OPC UA?

工業通(tōng)信分(fēn)爲互聯(硬件接口的(de)連接)、互通(tōng)(軟件層面的(de)數據格式與規範)、語義互操作(語義的(de)定義與規範)幾個(gè)層面，而各種總線解決的(de)是連接問題，而互通(tōng)解決了(le)應用(yòng)層的(de)匹配，而OPC UA則解決不同系統之間的(de)語義的(de)互操作-包括應用(yòng)行爲與動态功能。

獨立性、安全、國際标準、建模與信息模型、即插即用(yòng)這(zhè)些都是從技術角度來(lái)分(fēn)析OPC UA何以成爲大(dà)家關注的(de)焦點。

三

信息模型的(de)建立

如何理(lǐ)解信息模型？

信息模型是什(shén)麽?

如果用(yòng)OPC UA的(de)技術來(lái)介紹可(kě)能不大(dà)易于理(lǐ)解，但是，如果我們想實現機器人(rén)與注塑機進行協同的(de)工作的(de)時(shí)候，我們必須清楚，他(tā)們之間需要哪些數據來(lái)保證他(tā)們之間的(de)工作一緻性呢(ne)?這(zhè)就是數據的(de)應用(yòng)問題，而同樣道理(lǐ)，我們希望實現OEE的(de)統計，那麽OEE的(de)計算(suàn)就是一個(gè)信息模型，我們需要與之相關的(de)數據，而垂直行業的(de)信息模型則在于具體的(de)包裝、塑料、印刷行業所采集的(de)對(duì)象定義不同。

圖5-讓數據變得(de)規範與标準

簡單理(lǐ)解信息模型就是爲了(le)實現特定任務，而對(duì)數據所進行的(de)标準封裝，OPC UA提供了(le)一個(gè)如何封裝信息模型的(de)标準，除了(le)已經納入到OPC UA架構下(xià)的(de)PackML、MTConnect、Euromap、Automation ML等之外，OPC UA還(hái)支持行業自定義的(de)信息模型，OPCUA采用(yòng)面向對(duì)象的(de)思想，使得(de)這(zhè)些開發變得(de)簡單。

圖6-OPC UA架構

圖6是OPC UA的(de)架構，它包含了(le)基礎信息模型、行業信息模型，也(yě)包括制造商自定義的(de)信息模型，提供傳輸服務、發現功能是基礎的(de)，而信息模型是跨平台、跨行業的(de)應用(yòng)需求。

四

OPC UA的(de)應用(yòng)好處有哪些?

4.1對(duì)于系統集成而言，OPC UA有哪些好處?

我們必須确保針對(duì)質量、效率、能源、維護等參數具有統一的(de)模型，這(zhè)樣可(kě)以讓我們做(zuò)到以下(xià)幾點：

(1).軟件複用(yòng)：通(tōng)過數據建模形成的(de)應用(yòng)模塊，如PackML可(kě)以讓我們針對(duì)包裝機與MES相互關聯的(de)數據統一封裝，可(kě)以通(tōng)過一個(gè)模塊的(de)調用(yòng)即可(kě)實現相關數據的(de)調用(yòng)。這(zhè)就像貝加萊的(de)mapp中的(de)PackML、Euromap軟件模塊一樣。

(2).關注點分(fēn)離與軟件模塊化(huà)：通(tōng)過共享的(de)信息模型，OPC UA讓面向服務(SoA)的(de)應用(yòng)得(de)以實現，由于采用(yòng)了(le)關注點分(fēn)離的(de)設計思想，HMI與應用(yòng)程序可(kě)以分(fēn)離，而數據與應用(yòng)實現分(fēn)離，可(kě)以由不同的(de)應用(yòng)程序讀取共享信息模型進而實現分(fēn)析、顯示應用(yòng)的(de)各行其道。

像早期的(de)Andriod一樣，很多(duō)現場(chǎng)的(de)應用(yòng)存在著(zhe)一些類似的(de)問題，你必須爲每種不同的(de)屏幕開發相應的(de)畫(huà)面，因爲無法自适應這(zhè)些尺寸，尤其是那些非标的(de)規格，而另一方面大(dà)量的(de)程序員(yuán)也(yě)面臨著(zhe)HMI與應用(yòng)程序之間的(de)複雜(zá)耦合關系帶來(lái)的(de)麻煩。

在程序開發中也(yě)存在這(zhè)樣的(de)問題，當HMI與應用(yòng)程序之間出現一方修改時(shí)，另一方也(yě)得(de)修改，另外一方面，針對(duì)不同的(de)屏幕尺寸需要采用(yòng)不同的(de)畫(huà)面設計。對(duì)OEM廠商而言，這(zhè)便意味著(zhe)爲了(le)個(gè)性化(huà)的(de)機器，必須反複的(de)修改畫(huà)面和(hé)程序、并對(duì)不同尺寸規格的(de)HMI進行重新設計。

圖7-mappVIEW借助于OPC UA實現關注點分(fēn)離

圖7所示的(de)mappVIEW技術即通(tōng)過OPC UA實現了(le)HMI與程序的(de)關注點分(fēn)離，使得(de)修改HMI畫(huà)面的(de)組态界面、流程與應用(yòng)程序無關，而應用(yòng)程序的(de)修改也(yě)不會影(yǐng)響HMI的(de)畫(huà)面。并且，任意尺寸規格的(de)HMI、智能終端均可(kě)自适應的(de)訪問機器數據。

當然，關注點分(fēn)離也(yě)是模塊化(huà)軟件實現的(de)主要方式，這(zhè)與軟件模塊化(huà)可(kě)以列入同一優點描述。

(3).大(dà)量的(de)節約工程時(shí)間：由于采用(yòng)了(le)标準的(de)數據模型，使得(de)數據僅需配置，而無需大(dà)量的(de)編程操作，另外，标準的(de)數據包一次性讓與任務相關的(de)數據被讀取，而無需很多(duō)次的(de)調用(yòng)不同的(de)參數，這(zhè)也(yě)節省了(le)工程時(shí)間。

(4).最大(dà)化(huà)數據應用(yòng)：設計與生産、維護等能夠在同一架構下(xià)進行數據交換，實現企業的(de)數據共享與數據價值的(de)最大(dà)化(huà)發揮。就像Automation ML一樣，從工程設計平台到工藝輔助平台、MES、控制層數據可(kě)以實現統一的(de)标準下(xià)的(de)連接和(hé)分(fēn)享。

OPC UA在整體上使得(de)在工廠的(de)各個(gè)環節的(de)橫向與縱向數據實現了(le)透明(míng)交互，并且，配置效率更高(gāo)，程序與應用(yòng)模塊化(huà)更強，使得(de)工廠組織更爲便利，即使面對(duì)複雜(zá)的(de)變化(huà)，也(yě)可(kě)以實現快(kuài)速的(de)切換。

4.2行業信息模型帶來(lái)快(kuài)速數據配置與采集

(1).無關PLC是誰家的(de)：如果我不用(yòng)在乎誰家的(de)控制器開發的(de)注塑機、機械手的(de)系統，而是直接通(tōng)過數據的(de)标準配置即可(kě)訪問到機器，那是否很方便的(de)呢(ne)?

顯然，這(zhè)是今天做(zuò)工廠集成項目的(de)人(rén)的(de)最美(měi)好想法，可(kě)現實中卻并非如此，也(yě)是可(kě)以連接的(de)，他(tā)們需要針對(duì)不同的(de)控制器配置不同的(de)軟件程序、而且還(hái)需要不同的(de)接口模塊來(lái)支撐，但是如果無論你采用(yòng)何種品牌控制器、采用(yòng)何種現場(chǎng)總線，隻要你采用(yòng)OPC UA，我們就可(kě)以相互訪問和(hé)配置機器的(de)參數，那麽這(zhè)是否會讓工廠的(de)集成人(rén)員(yuán)變得(de)工作簡單很多(duō)呢(ne)?

Euromap 77是基于OPC UA的(de)标準設計的(de)注塑機通(tōng)信模型，包括了(le)注塑機信息、配置、狀态、模具、驅動的(de)數據對(duì)象，也(yě)包括Job、數據集管理(lǐ)的(de)數據模型，如圖8所示。

圖8-Euromap 77基于OPC UA的(de)注塑機信息模型開發

對(duì)于PackML而言，其旨在提供相應的(de)能力去連接MES與質量數據，其實，對(duì)于PackML而言，圖9的(de)機器狀态使得(de)機器的(de)時(shí)間統計變得(de)簡單，而PackML正是遵循了(le)OPC UA的(de)标準與規範。

圖9-PackML的(de)設備狀态

通(tōng)過圖9所示的(de)狀态與顯示畫(huà)面，每個(gè)按鍵按下(xià)都會記錄時(shí)間，最終與設備OEE統計相關的(de)時(shí)間将被用(yòng)于實現生産運營效率的(de)統計分(fēn)析。

(3).實現OICT融合的(de)數據融合

OICT的(de)融合，必然使得(de)跨平台的(de)IT與OT系統在語義方面需要融合，每個(gè)人(rén)必須懂(dǒng)得(de)另一個(gè)人(rén)所說的(de)每局話(huà)的(de)含義，采用(yòng)統一的(de)标準數據格式、單位标準(公斤、瓦特、米、秒、小時(shí))、能源采集的(de)标準與數據集的(de)統一。

邊緣計算(suàn)正在連接現場(chǎng)設備，實現數據應用(yòng)，而OPC UA則是一個(gè)标準與規範，用(yòng)于實現IT與OT的(de)互聯，如圖10，注塑機的(de)參數通(tōng)過Euromap标準被管理(lǐ)、分(fēn)析系統讀取并通(tōng)過OPCUA将生産任務下(xià)達至機器。

圖10-基于OPC UA實現注塑機新工廠與老工廠的(de)集成

事實上，各個(gè)行業都在大(dà)張旗鼓的(de)推進著(zhe)智能制造，但是，就基礎的(de)而言，OPC UA、PLCopen等标準化(huà)工作是必須先行的(de)，當然也(yě)包括基于IEC 61508的(de)功能安全技術标準、機器人(rén)的(de)ISO 10218等。

這(zhè)就是想說的(de)“智能制造離我們還(hái)有多(duō)遠(yuǎn)?”—我們應該基礎工作做(zuò)好。不僅産業裏，包括大(dà)學裏的(de)課程，關于互聯互通(tōng)這(zhè)些問題還(hái)停留在久遠(yuǎn)的(de)現場(chǎng)總線，而無視産業已經大(dà)量的(de)采用(yòng)實時(shí)以太網技術，而新的(de)TSN也(yě)将在不久與OPC UA融合成爲可(kě)以預見的(de)未來(lái)互聯集成方案。