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貝加萊工業自動化（中國）有限公司 宋華振

作者簡介

宋華振（1972-），男，工程師，現任貝加萊工業自動化（中國）有限公司市場部經理，多年從事工業自動化系統的開發和實施工作，現主要從事市場營銷策劃和市場分析工作。

摘要：實現多方向的跨界互聯是智能制造基礎網絡的主要需求，而構建集成通信網絡則是實現智能制造的一項關鍵因素。本文主要討論了基于POWERLINK、OPC UA和OpenSAFETY的智能集成基礎通信網絡平臺的一些技術問題。

關鍵詞：智能制造；基礎網絡；集成通信架構；POWERLINK；OPC UA；OpenSAFETY

Abstract: To realize the polydirectional transboundary interconnection is the major demands of the foundational networks for intelligent manufacturing, and the construction of integrated communication networks is a key factor of realizing the intelligent manufacturing. A number of the technical problems of foundational communication network platform for intelligent integration based on POWERLINK, OPC- UA and openSAFETY are discussed in this paper.

Key words: Intelligent manufacturing; Foundational network; Integrated communication architecture; POWERLINK; OPC UA; OpenSAFETY

1　引言

當前，隨著《中國制造2025》和德國“ 工業4.0”第四次工業革命策略的實施和深入進展，為其提供支撐的自動化、信息化和智能化相關技術，如人工智能、機器人、3D打印、物聯網、大數據和云計算等也得到快速發展和推廣應用。多方向的跨界互聯是智能制造基礎網絡的主要特征，而合理地構建智能制造的集成通信網絡也就成為了實現智能制造的一項關鍵因素。以下主要論述關于智能制造基礎網絡平臺的一些技術問題。

2　智能集成時代的網絡需求

無論我們討論“ 工業4.0”、《中國制造2025》還是物聯網，都必須面對如何實現跨界互聯的問題，這里所討論的各種領域的互聯中包含了服務物聯網（IoS）、工業物聯網（IoT）、智能工廠、CPS集成等多個話題，在圖1智能工廠智能互聯定義中，可以看到，在未來的智能制造中，這些將牽涉到多個方向的互聯問題。

圖1 智能工廠智能互聯的定義[1]

為了實現各種互聯，對網絡的需求包括了互操作性、可視化、實時、模塊化等，在表1中，我們可以對其進行簡要地描述，這也體現了智能時代網絡的復雜性需求。

表1 “工業4.0”所關聯的網絡架構[2]

這對智能制造的集成網絡提出了新的需求，包括了多個層面的需求，如圖2所示，可以將網絡分為互聯、互通、互操作等多個層次，結合表1，這個網絡需要解決實時性、互操作性、模塊化設計等功能。

圖2 智能集成網絡需求層次[3]

綜上所述，智能集成時代的網絡需要具備：

（1）實時性，滿足機器內部的互聯；

（2）互通性，滿足不同供應商設備的互通；

（3）互操作，滿足針對異構網絡中的設備集成；

（4）模塊化，實現智能集成時代對于分布式控制架構設計的需求。

如何為智能集成時代的工業尋找最佳通信解決方案？Ethernet POWERLINK標準化組織EPSG（Ethernet POWERLINK Standardization Group）在這方面做出了卓越的貢獻，提供了完整的工廠集成通信互聯互通與互操作的集成方案。

3　為智能集成提供的基礎網絡

EPSG致力于為工業通信提供全方位的解決方案，在2001年即推出了這一最為前沿的實時通信技術，面對今天更為廣泛的互聯需求，EPSG組織持續創新，推出針對OPC UA集成的POWERLINK擴展協議棧，并將在未來提出TSN集成的網絡架構。也即，POWERLINK技術組織提供針對互聯、互通、語義互操作、安全的全方位集成解決方案。

3.1　POWERLINK——實時通信基礎網絡互聯

它具有如下特點：

（1）高性能低抖動網絡通信，POWERLINK支持100Mbps的傳輸，小于1us的抖動；

（2）主從完全開源的實時通信技術；

（3）冗余技術，支持各種冗余（環網、雙網……）；

（4）確保信息安全；

（5）具有TCP/IP數據傳輸能力；

（6）IEC和國家的推薦性標準；

……

3.2　POWERLINK產品互通

借助于XML的設備描述文件——XML Device Description，不同的POWERLINK產品之間可以實現信息互通，并可以由相同的主站予以控制，由于采用CANopen的應用層協議，POWERLINK可以以較為簡便的方式實現集成（如圖3所示），在運動控制領域用DS402可以直接實現第三方運動控制編程。

（1）XDD文件集成第三方設備；

（2）CANopen DS402運動控制；

（3）納入FDT/DTM協議中的配置網絡；

（4）OPC UA組織與EPSG簽署備忘錄，共同研發新的通信技術。

圖3 通過XDD實現POWERLINK多方產品集成

3.3　OPC UA實現語義互操作

3.3.1　OPC UA實現智能集成基礎信息模型

OPC UA 已經被IIC和“工業4.0”組織確定為未來平臺間交互的通信架構，并成為IEC62541標準，成為智能制造基礎信息模型、水平與垂直信息集成的基本架構，可實現語義互操作。

（1）與POWERLINK技術融合；

（2）實現跨網絡數據交互；

（3）機器——機器數據交互；

（4）機器——MES/ERP系統的數據互聯；

（5）垂直行業信息模型（OMAC/PackML，FDT/DTM，EuroMAP等）；

……

圖4 OPC UA信息模型[4]

3.3.2　垂直信息模型集成

為了實現智能集成，必須為垂直、水平方向的集成進行信息模型的建設，OPC基金會除了提供基礎信息模型的設計（如圖4所示）之外，也針對垂直行業的信息模型與各個技術組織、協會進行合作，包括了諸如以下的一些組織：

（1）AutomationML：自配置通過使用自動化Machine Language描述組件和機器以及OPC-UA的能力實現，使得它們可以相互通訊。由OPC 基金會和AutomationML e. V. 共同開發的配套標準旨在將這兩項技術結合起來，以適應當前正在進行的通訊數據的修改。

（2）OMAC/PackML：OMAC組織包括多個工作組，其中PackML是針對Pack Machine Language，通過與OPC基金會的合作，包裝領域的信息模型將被納入到OPC標準規范中，在包裝行業的各家設備可以通過OPC UA進行集成。

（3）PLCopen：針對工業編程的國際標準化組織，制定符合PLCopen的面向OPC UA通信的編程標準，這使OPC UA也可以被集成到各家公司的集成開發平臺中，如SIEMENS的Portal、B&R的Automation Studio、Beckhoff的TwinCAT、Rockwell AB的Logix等平臺中，便于應用者基于OPC UA的直接工程集成應用。

（4）MTConnect：針對機床行業的行業信息規范。

（5）PI：針對Profibus與OPC UA集成的行規。

（6）EPSG：針對POWERLINK與OPC UA基金會的行規規范，于2015年SPS展會發布諒解備忘錄，POWERLINK組織將積極支持OPC UA的通信互聯開發。

（7）ETG：在2015年與OPC基金會達成諒解備忘錄，并共同開發在OPC UA互聯方面的通信集成。

（8）FDT/DTM：針對現場總線工具的配置。

（9）EUROMAP：針對塑料機械領域的數據通信模型。

（10）BacNet：針對樓宇自控領域的數據通信模型。

（11）MDIS：針對海上油氣的OPC UA模型。

……

3.4　POWERLINK與OPC UA的嵌套方案

EPSG組織也積極開展與OPC基金會的合作，并于2015年達成諒解備忘錄，EPSG組織將積極支持OPC UA的通信互聯開發，并在其技術中實現了POWERLINK與OPC UA集成的解決方案（如圖5所示）。

圖5 POWERLINK集成OPC UA

在POWERLINK的異步階段，OPC UA機制所包含的信息、數據通過這一通道進行傳輸，這樣即可實現實時數據與非實時的OPC UA數據的交互，帶來的好處在于：

（1）真正的實現了M2M、B2M在一個網絡中的傳輸；

（2）簡化了網絡架構；

（3）完美地實現了實時與非實時數據的交互；

（4）大數據傳輸能力。由于POWERLINK采用的是獨立幀技術，這使得它可以在每個數據幀中傳輸1496字節的數據，而不同于集束幀僅能在整個網絡中傳輸一個以太網幀；

（5）滿足模塊化設計。由于可以任意采用分布式架構，POWERLINK嵌套OPC UA的方案可以使得系統實現真正的模塊化，而不同于集束幀采用了集中式架構。

4　安全集成問題

安全是智能時代不容忽視的一個問題，傳統的安全會帶來當機，而在集成時代，這種當機會給OEE造成下降，以及產生諸多的不良品等問題，而openSAFETY是滿足“工業4.0”時代集成的最佳實現，它可以在安全管理機制下實現異構網絡總的不同設備間安全信息的集成。

4.1　openSAFETY——實現安全與生產效率的平衡

智能集成時代，安全將成為關鍵，openSAFETY支持異構網絡中功能安全信息的交互，實現安全生產與生產效率的平衡。其特點如下：

（1）開源技術；

（2）更高的響應能力，更高的安全性；

（3）可運行于多種總線之上（PROFINET、Ethernet/IP等）；

（4）支持SafeROBOTICS，協同機器人的安全集成；

（5）滿足SIL3、PLe功能安全一致性認證；

（6）滿足IEC61784-3、IEC61508、IEC61800-5-2等標準；

……

圖6 openSAFETY的集成架構[5]

從圖6可以看到，open SAFETY在應用層提供基于SSDO、SPDO的安全型對象字典設計，以及安全的SNMT機制來管理網絡，而在底層則可以將其運行在不同的通信協議如POWERLINK、CAN、TCP機制等基于以太網的網絡。

表2 IEC61784-3關于安全信息處理的方法[6]

如表2所示，可以在openSAFETY的安全處理機制中將基于IEC61784-3所定義的各種安全機制予以實現，這樣確保了安全數據交互的高速實時處理。

圖7 openSAFETY支持多安全域信息傳遞

圖7則顯示了基于openSAFETY，多個安全域的設備可以被完美地集成于一個架構下，實現相關安全信息的集成，這種集成最大地確保了單機的安全，將對系統的影響降至最低，并可確保生產效率不會被影響，例如：通過SLS的減速可以實現不停機安全響應，而STO則可以實現安全恢復之后的不中斷生產，確保工藝加工得以延續，而不致產生不良品。

5　智能制造的集成通信架構

圖8顯示了EPSG組織對于智能集成時代的整個網絡架構的設計，這包含了以下三個重要方面集成：

（1）智能機器的實時通信；

（2）M2M&B2M集成；

（3）整體安全集成。

圖8 智能制造的通信集成架構

從這個架構可以看出，基于POWERLINK、OPC UA、openSAFETY，即可實現整個智能工廠從設備到MES、管理系統的整個集成。

這里包含了大數據的傳輸能力、一網到底的簡化結構，滿足工業物聯網、智慧工廠、服務網的整體集成，是“工業4.0”最佳的通信實現方案。

參考文獻：

[1] Wolfgang Wahlster. Cyber-Physical AI Systems for Resource-Efficient Living, The Way Ahead New Directions at FBK ICT IRST Encounter Outstanding Visions from Across the Field Trento, December 17, 2012 : 14.

[2] Hermann, Mario, Pentek, Tobias, Otto, Boris. Woking Paper, Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios:A Literature Review,1, Nov-2015.

[3] Roland Heide. International Symposium on Measurement and Control Technology & Intelligent Manufacturing,IEC TC65 Annual,Dalian, 2015 - 12.

[4] OPC Foundation. OPC Uni_ed Architecture Speci_cation, Part 1: Overview and Concepts. Release 1.01. 2009.

[5] openSAFETY. EPSG Working Draft Proposal 304 V1.1.4,Safety Profile Specification, Version 1.1.4,2011 : 24 - 25.

[6] Industrial communication networks – Profiles –. Part 3-13: Functional safety fieldbuses- General rules and profile definitions, 2016 - 5.

摘自《2017今日自動化技術應用在中國》