智能制造還有多遠(yuǎn)？--談?wù)劄槭裁匆捎肙PC UA？
2020-6-11新聞
9月5日，OPC UA正式成為國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)。而對于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。
前段時間與PLCopen主席嚴(yán)義老師探討在PLCopen教育合作項目，據(jù)嚴(yán)老師前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與運動控制相關(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，因為，就我們講“智能”而言，運動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，通過靈活的參數(shù)設(shè)置，運動控制可以讓生產(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，如果缺乏運動控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)、柔性的執(zhí)行，那么無法達(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，卻無法執(zhí)行。
圖1-我們的產(chǎn)業(yè)有太多的理想有待實現(xiàn)
同樣道理，我們總是探討高大上的云平臺、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)運營中，我們會需要對現(xiàn)場的機器狀態(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)分析將給我們帶來巨大制造優(yōu)化潛力，并改善我們的生產(chǎn)運營效率、資產(chǎn)管理水平，但是，在現(xiàn)實的智慧工廠互聯(lián)的時候，卻困難重重，無論是IIoT還是大數(shù)據(jù)分析各種概念都給我們以未來無限光明的愿景，但現(xiàn)實卻那么骨感。
1大量的連接工作耗費精力
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)場數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)，這個工作量有多大，為了一個不大的項目，要去連接各種通信總線、要配置各種機器的參數(shù)，很多參數(shù)還因為技術(shù)保密的原因不開放，因此，采集了很多價值量并不高的數(shù)據(jù)，很多從IT業(yè)過來掘金工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的公司都很郁悶，因為這個錢賺的實在是太辛苦，以至于他們對這件事情產(chǎn)生了悲觀情緒。做自動化的還好，原來就是遇到這些問題，但對IT就很慘了，因為，這太過消耗工程師資源。
圖2-數(shù)據(jù)是否讓我們無所適從?
2采集什么數(shù)據(jù)不是很清楚
這是一個困難，對于如何運營生產(chǎn)系統(tǒng)，往往很多做IT的缺乏對機器的了解，對生產(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)？
很多時候，大家只是說“先把數(shù)據(jù)采起來再說”，至于這個數(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，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)是對的?如果采集了一大堆數(shù)據(jù)在用的時候發(fā)現(xiàn)少了一個數(shù)據(jù)不能用于分析工藝對能耗的影響，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)，而這個問題又不再是一個技術(shù)問題，而牽扯到公司的運營管理水平的問題，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，因為首先它知道哪些數(shù)據(jù)需要采集，而如果運營管理水平一般的情況下就會出現(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)營的策略問題。
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)會組織如OMAC、Euromap、Automation ML、ISA、FDT/DTM、MTConnect、BacNet，以及全球主要的現(xiàn)場總線基金會如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII均支持與OPC UA的融合與開發(fā)工作，為什么這些國際自動化、IT、基金會組織、行業(yè)協(xié)會都聚焦在了OPC UA上？
圖4為結(jié)合OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)文檔，自行設(shè)計的圖用于闡述采用OPC UA的八個原因。
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)、語義互操作(語義的定義與規(guī)范)幾個層面，而各種總線解決的是連接問題，而互通解決了應(yīng)用層的匹配，而OPC UA則解決不同系統(tǒng)之間的語義的互操作-包括應(yīng)用行為與動態(tài)功能。
獨立性、安全、國際標(biāo)準(zhǔn)、建模與信息模型、即插即用這些都是從技術(shù)角度來分析OPC UA何以成為大家關(guān)注的焦點。
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)來介紹可能不大易于理解，但是，如果我們想實現(xiàn)機器人與注塑機進(jìn)行協(xié)同的工作的時候，我們必須清楚，他們之間需要哪些數(shù)據(jù)來保證他們之間的工作一致性呢?這就是數(shù)據(jù)的應(yīng)用問題，而同樣道理，我們希望實現(xiàn)OEE的統(tǒng)計，那么OEE的計算就是一個信息模型，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)所采集的對象定義不同。
圖5-讓數(shù)據(jù)變得規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)
簡單理解信息模型就是為了實現(xiàn)特定任務(wù)，而對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)封裝，OPC UA提供了一個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?，使得這些開發(fā)變得簡單。
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、跨行業(yè)的應(yīng)用需求。
四
OPC UA的應(yīng)用好處有哪些?
4.1對于系統(tǒng)集成而言，OPC UA有哪些好處?
我們必須確保針對質(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：
(1).軟件復(fù)用：通過數(shù)據(jù)建模形成的應(yīng)用模塊，如PackML可以讓我們針對包裝機與MES相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝，可以通過一個模塊的調(diào)用即可實現(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)注點分離與軟件模塊化：通過共享的信息模型，OPC UA讓面向服務(wù)(SoA)的應(yīng)用得以實現(xiàn)，由于采用了關(guān)注點分離的設(shè)計思想，HMI與應(yīng)用程序可以分離，而數(shù)據(jù)與應(yīng)用實現(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)場的應(yīng)用存在著一些類似的問題，你必須為每種不同的屏幕開發(fā)相應(yīng)的畫面，因為無法自適應(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)系帶來的麻煩。
在程序開發(fā)中也存在這樣的問題，當(dāng)HMI與應(yīng)用程序之間出現(xiàn)一方修改時，另一方也得修改，另外一方面，針對不同的屏幕尺寸需要采用不同的畫面設(shè)計。對OEM廠商而言，這便意味著為了個性化的機器，必須反復(fù)的修改畫面和程序、并對不同尺寸規(guī)格的HMI進(jìn)行重新設(shè)計。
圖7-mappVIEW借助于OPC UA實現(xiàn)關(guān)注點分離
圖7所示的mappVIEW技術(shù)即通過OPC UA實現(xiàn)了HMI與程序的關(guān)注點分離，使得修改HMI畫面的組態(tài)界面、流程與應(yīng)用程序無關(guān)，而應(yīng)用程序的修改也不會影響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)的訪問機器數(shù)據(jù)。
當(dāng)然，關(guān)注點分離也是模塊化軟件實現(xiàn)的主要方式，這與軟件模塊化可以列入同一優(yōu)點描述。
(3).大量的節(jié)約工程時間：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，而無需很多次的調(diào)用不同的參數(shù)，這也節(jié)省了工程時間。
(4).最大化數(shù)據(jù)應(yīng)用：設(shè)計與生產(chǎn)、維護(hù)等能夠在同一架構(gòu)下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)價值的最大化發(fā)揮。就像Automation ML一樣，從工程設(shè)計平臺到工藝輔助平臺、MES、控制層數(shù)據(jù)可以實現(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環(huán)節(jié)的橫向與縱向數(shù)據(jù)實現(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，使得工廠組織更為便利，即使面對復(fù)雜的變化，也可以實現(xiàn)快速的切換。
4.2行業(yè)信息模型帶來快速數(shù)據(jù)配置與采集
(1).無關(guān)PLC是誰家的：如果我不用在乎誰家的控制器開發(fā)的注塑機、機械手的系統(tǒng)，而是直接通過數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)配置即可訪問到機器，那是否很方便的呢?
顯然，這是今天做工廠集成項目的人的最美好想法，可現(xiàn)實中卻并非如此，也是可以連接的，他們需要針對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支撐，但是如果無論你采用何種品牌控制器、采用何種現(xiàn)場總線，只要你采用OPC UA，我們就可以相互訪問和配置機器的參數(shù)，那么這是否會讓工廠的集成人員變得工作簡單很多呢?
Euromap 77是基于OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的注塑機通信模型，包括了注塑機信息、配置、狀態(tài)、模具、驅(qū)動的數(shù)據(jù)對象，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的注塑機信息模型開發(fā)
對于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，對于PackML而言，圖9的機器狀態(tài)使得機器的時間統(tǒng)計變得簡單，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)
通過圖9所示的狀態(tài)與顯示畫面，每個按鍵按下都會記錄時間，最終與設(shè)備OEE統(tǒng)計相關(guān)的時間將被用于實現(xiàn)生產(chǎn)運營效率的統(tǒng)計分析。
(3).實現(xiàn)OICT融合的數(shù)據(jù)融合
OICT的融合，必然使得跨平臺的IT與OT系統(tǒng)在語義方面需要融合，每個人必須懂得另一個人所說的每局話的含義，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)、能源采集的標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)集的統(tǒng)一。
邊緣計算正在連接現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而OPC UA則是一個標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，用于實現(xiàn)IT與OT的互聯(lián)，如圖10，注塑機的參數(shù)通過Euromap標(biāo)準(zhǔn)被管理、分析系統(tǒng)讀取并通過OPCUA將生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)至機器。
圖10-基于OPC UA實現(xiàn)注塑機新工廠與老工廠的集成
事實上，各個行業(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)、機器人的ISO 10218等。
這就是想說的“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)互通這些問題還停留在久遠(yuǎn)的現(xiàn)場總線，而無視產(chǎn)業(yè)已經(jīng)大量的采用實時以太網(wǎng)技術(shù)，而新的TSN也將在不久與OPC UA融合成為可以預(yù)見的未來互聯(lián)集成方案。
