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對(duì)于智能制造而言，其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是數(shù)字互聯(lián)—將整個(gè)企業(yè)從底層設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線僅解決在控制層面的數(shù)據(jù)，而對(duì)智能制造則牽扯到全局的優(yōu)化、策略、路徑、規(guī)劃的問(wèn)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(wèn)題，OPC UA則是解決這一問(wèn)題的聚焦點(diǎn)，在這里有必要結(jié)合實(shí)際對(duì)其進(jìn)行分析并分析其應(yīng)用。

一、智能制造對(duì)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(huì)面臨一個(gè)新的局面，即分布的計(jì)算單元需要不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以端對(duì)端的方式進(jìn)行自由的組合應(yīng)用，如圖1，自動(dòng)化數(shù)據(jù)包括經(jīng)典的架構(gòu)，從控制級(jí)、過(guò)程控制、車間管理、SCADA、MES/ERP等多個(gè)層級(jí)。

因此，基于CPS架構(gòu)的新自動(dòng)化技術(shù)則需要全新的架構(gòu)來(lái)支撐網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化的融合中，存在著對(duì)于語(yǔ)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(yǔ)法與語(yǔ)義，才能實(shí)現(xiàn)互相之間的溝通，對(duì)數(shù)據(jù)的識(shí)別處理。

二、為什么采用OPC UA？

1.OPC UA技術(shù)簡(jiǎn)介

OPC UA旨在解決語(yǔ)義互操作層面的互聯(lián)問(wèn)題，當(dāng)然，整個(gè)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(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想是面向服務(wù)架構(gòu)（SoA）。

其實(shí)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(lái)訪問(wèn)地址空間里的對(duì)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(wèn)者提供了訪問(wèn)與操作的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式、語(yǔ)義的標(biāo)準(zhǔn)。

OPC UA的對(duì)象（Object）是由被參考（Reference）連接的節(jié)點(diǎn)（Node）組成。不同的節(jié)點(diǎn)類(Class)傳輸不同的語(yǔ)義（Semantics）。一個(gè)變量節(jié)點(diǎn)代表“值”可以被讀或?qū)懀兞抗?jié)點(diǎn)有相關(guān)的數(shù)據(jù)類型（DataType）來(lái)定義實(shí)際值，如字符串、浮點(diǎn)數(shù)、結(jié)構(gòu)等。方法節(jié)點(diǎn)（Method Node）代表可以被調(diào)用的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有大量的屬性包括唯一的識(shí)別號(hào)稱為NodeID和稱為BrowsName的非本地化命名。

對(duì)于對(duì)象與可變節(jié)點(diǎn)（Variable Node）都稱為實(shí)例節(jié)點(diǎn)（Intance Node），節(jié)點(diǎn)總是參考一個(gè)類型定義(ObjectType或VariableType)，這些節(jié)點(diǎn)描述他們的語(yǔ)義和結(jié)構(gòu)。

2.采用OPC UA的8個(gè)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(gè)方面，比較關(guān)鍵的在于：

（1）OPC UA建立了信息模型，對(duì)于不同的行業(yè)而言，實(shí)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(duì)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(jí)的權(quán)限管理。

圖3-支持OPC UA的8個(gè)主要原因

（3）廠商無(wú)關(guān)的獨(dú)立性：對(duì)于End User而言，這非常重要，因?yàn)槿魏我粋€(gè)企業(yè)的私有通信標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)約不能成為一個(gè)用戶的標(biāo)準(zhǔn)，而OPC UA自身是公益型組織，而各個(gè)技術(shù)組織都愿意跟隨OPC UA的發(fā)展腳步。目前各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)如POWERLINK、Profinet等都已經(jīng)加入OPC UA基金會(huì)，包括FDT/DTM、OMAC/PackML、MTConnect、Euromap等垂直行業(yè)技術(shù)組織。

三、OPC UA針對(duì)行業(yè)信息模型

圖4顯示了OPC UA基金會(huì)不僅得到了各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)注塑機(jī)與MES之間進(jìn)行交互的設(shè)備接口，這定義了對(duì)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(duì)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(dòng)系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)，并在Euromap 77.2、77.3中對(duì)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(wèn)不同廠商的注塑機(jī)，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(chǎng)通信互聯(lián)整體解決方案

貝加萊為整個(gè)互聯(lián)提供了完整的解決方案：包括以下幾個(gè)層面：

（1）設(shè)備高動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)-采用POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)100μS的高速控制任務(wù)，適用于運(yùn)動(dòng)控制、CNC和機(jī)器人、高性能視覺(jué)系統(tǒng)等時(shí)間嚴(yán)苛的任務(wù)。

（2）針對(duì)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(shí)時(shí)任務(wù)亦可用于非實(shí)時(shí)任務(wù)的語(yǔ)義數(shù)據(jù)傳輸。

（3）openSAFETY是針對(duì)功能安全應(yīng)用的傳輸機(jī)制，其可以獨(dú)立于總線而運(yùn)行，openSAFETY解決功能安全一致性問(wèn)題，確保現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備不會(huì)對(duì)人體造成傷害，也確保控制系統(tǒng)不會(huì)遭遇認(rèn)為的破壞。

（4）TSN技術(shù)：針對(duì)未來(lái)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(dòng)化公司如ABB、B&R、SIEMENS、Schneider、Bosch Rexroth等都在開(kāi)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(lái)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(gè)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(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的一個(gè)業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)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(gè)產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)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(kāi)發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡(jiǎn)化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。