對于智能制造而言，其實現(xiàn)的基礎(chǔ)是數(shù)字互聯(lián)—將整個企業(yè)從底層設(shè)備、現(xiàn)場傳感器到機(jī)器的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、能耗等進(jìn)行采集，并為全局的生產(chǎn)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線僅解決在控制層面的數(shù)據(jù)，而對智能制造則牽扯到全局的優(yōu)化、策略、路徑、規(guī)劃的問題，而這些互聯(lián)又牽扯到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與多代次產(chǎn)品的集成問題，OPC UA則是解決這一問題的聚焦點，在這里有必要結(jié)合實際對其進(jìn)行分析并分析其應(yīng)用。
一、智能制造對于通信的需求變化
智能制造與傳統(tǒng)的垂直網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由所不同，傳統(tǒng)的金字塔架構(gòu)數(shù)據(jù)從底層到頂層一層層的數(shù)據(jù)，智能制造則會面臨一個新的局面，即分布的計算單元需要不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以端對端的方式進(jìn)行自由的組合應(yīng)用，如圖1，自動化數(shù)據(jù)包括經(jīng)典的架構(gòu)，從控制級、過程控制、車間管理、SCADA、MES/ERP等多個層級。
因此，基于CPS架構(gòu)的新自動化技術(shù)則需要全新的架構(gòu)來支撐網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線主要是解決互聯(lián)互通（通信的協(xié)議與規(guī)范），而在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，以及IT與自動化的融合中，存在著對于語義互操作的迫切需求，不僅要包括了通信所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而且包括了數(shù)據(jù)的語法與語義，才能實現(xiàn)互相之間的溝通，對數(shù)據(jù)的識別處理。
二、為什么采用OPC UA？
1.OPC UA技術(shù)簡介
OPC UA旨在解決語義互操作層面的互聯(lián)問題，當(dāng)然，整個OPC UA架構(gòu)，如圖2，包括了傳輸機(jī)制、元數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)信息模型以及行業(yè)信息模型，整個架構(gòu)設(shè)計思想是面向服務(wù)架構(gòu)（SoA）。
其實OPC UA包括了傳輸協(xié)議（支持TCP二進(jìn)制、Web Service的傳輸機(jī)制），右側(cè)是包括元信息模型的規(guī)范，OPC UA服務(wù)集提供連接、屬性管理、安全通信服務(wù)、瀏覽等多種與傳輸通信相關(guān)的服務(wù)子集。在基礎(chǔ)的信息模型中，OPC UA提供了標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)來訪問地址空間里的對象的框架，并確保信息的傳輸安全性。
圖2-OPC UA架構(gòu)
OPC UA的基礎(chǔ)信息模型在于為訪問者提供了訪問與操作的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式、語義的標(biāo)準(zhǔn)。
OPC UA的對象（Object）是由被參考（Reference）連接的節(jié)點（Node）組成。不同的節(jié)點類(Class)傳輸不同的語義（Semantics）。一個變量節(jié)點代表“值”可以被讀或?qū)懀兞抗?jié)點有相關(guān)的數(shù)據(jù)類型（DataType）來定義實際值，如字符串、浮點數(shù)、結(jié)構(gòu)等。方法節(jié)點（Method Node）代表可以被調(diào)用的功能，每個節(jié)點都有大量的屬性包括唯一的識別號稱為NodeID和稱為BrowsName的非本地化命名。
對于對象與可變節(jié)點（Variable
Node）都稱為實例節(jié)點（Intance
Node），節(jié)點總是參考一個類型定義(ObjectType或VariableType)，這些節(jié)點描述他們的語義和結(jié)構(gòu)。
2.采用OPC UA的8個主要原因
圖3總結(jié)了OPC UA之所以成為智能制造聚焦的互聯(lián)技術(shù)在于如圖所示的幾個方面，比較關(guān)鍵的在于：
（1）OPC UA建立了信息模型，對于不同的行業(yè)而言，實現(xiàn)互聯(lián)、并制定協(xié)同的機(jī)制本質(zhì)在于建立信息模型，將相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)按照一定的架構(gòu)進(jìn)行采集分組并進(jìn)行應(yīng)用分析。
（2）安全機(jī)制：對于OPC UA而言，其支持X509的安全信息交互標(biāo)準(zhǔn)，并支持角色與規(guī)則定義，為應(yīng)用定義不同層級的權(quán)限管理。
圖3-支持OPC UA的8個主要原因
（3）廠商無關(guān)的獨立性：對于End User而言，這非常重要，因為任何一個企業(yè)的私有通信標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)約不能成為一個用戶的標(biāo)準(zhǔn)，而OPC UA自身是公益型組織，而各個技術(shù)組織都愿意跟隨OPC UA的發(fā)展腳步。目前各個現(xiàn)場總線基金會如POWERLINK、Profinet等都已經(jīng)加入OPC UA基金會，包括FDT/DTM、OMAC/PackML、MTConnect、Euromap等垂直行業(yè)技術(shù)組織。
三、OPC UA針對行業(yè)信息模型
圖4顯示了OPC UA基金會不僅得到了各個現(xiàn)場總線組織的支持，也包括了OMAC/PackML、MTConnect、ISA-95、AutomationML等行業(yè)技術(shù)組織的支持。
圖4-OPC UA的支持組織
如圖5，即使Euromap 77規(guī)約對注塑機(jī)與MES之間進(jìn)行交互的設(shè)備接口，這定義了對象數(shù)據(jù)的類型、結(jié)構(gòu)，除了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，在機(jī)器的數(shù)據(jù)對象和結(jié)構(gòu)中包括了機(jī)器的基本信息、配置、注射單元、模具、驅(qū)動系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)對象與標(biāo)準(zhǔn)，并在Euromap
77.2、77.3中對作業(yè)單、數(shù)據(jù)組管理進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的定義，這使得不同的上層管理系統(tǒng)可以以標(biāo)準(zhǔn)的方式訪問不同廠商的注塑機(jī)，對其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并可以給出指令給予機(jī)器執(zhí)行。
圖5-Euromap的信息模型結(jié)構(gòu)
四、貝加萊完整的智能制造數(shù)據(jù)互聯(lián)方案
圖6-貝加萊提供的工業(yè)現(xiàn)場通信互聯(lián)整體解決方案
貝加萊為整個互聯(lián)提供了完整的解決方案：包括以下幾個層面：
（1）設(shè)備高動態(tài)實時響應(yīng)-采用POWERLINK實時以太網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)針對100μS的高速控制任務(wù)，適用于運動控制、CNC和機(jī)器人、高性能視覺系統(tǒng)等時間嚴(yán)苛的任務(wù)。
（2）針對OPC UA，貝加萊在POWERLINK的異步數(shù)據(jù)階段支持TCP/IP的傳輸，可以用于解決OPC UA的傳輸（OPC UA本身支持的是http和TCP傳輸），這樣POWERLINK可以用于實時任務(wù)亦可用于非實時任務(wù)的語義數(shù)據(jù)傳輸。
（3）openSAFETY是針對功能安全應(yīng)用的傳輸機(jī)制，其可以獨立于總線而運行，openSAFETY解決功能安全一致性問題，確保現(xiàn)場的設(shè)備不會對人體造成傷害，也確保控制系統(tǒng)不會遭遇認(rèn)為的破壞。
（4）TSN技術(shù)：針對未來的IIoT應(yīng)用，大數(shù)據(jù)的傳輸和分析之用途，并減少在通信互聯(lián)的硬件和軟件投入，TSN將采用802.1的新的傳輸機(jī)制，目前大部分領(lǐng)先的自動化公司如ABB、B&R、SIEMENS、Schneider、Bosch
Rexroth等都在開發(fā)新一代的TSN產(chǎn)品，而其它IT廠商則包括了華為、CISCO等也積極的推進(jìn)TSN的產(chǎn)品化進(jìn)程。
除了這些自有的POWERLINK、openSAFETY以及面向未來的OPC UA+TSN外，貝加萊還有大量豐富的總線模塊用于連接現(xiàn)在工廠的老舊設(shè)備包括Profibus、Ethernet/IP、SERCOSIII等模塊可供互聯(lián)之用。
關(guān)于貝加萊
貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的一個業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的Automation
Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。
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