對于智能制造而言，其實現(xiàn)的基礎是數(shù)字互聯(lián)—將整個企業(yè)從底層設備、現(xiàn)場傳感器到機器的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、能耗等進行采集，并為全局的生產(chǎn)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)分析的基礎，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)又牽扯到異構網(wǎng)絡與多代次產(chǎn)品的集成問題，OPC UA則是解決這一問題的聚焦點，在這里有必要結合實際對其進行分析并分析其應用。
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)絡架構由所不同，傳統(tǒng)的金字塔架構數(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)以端對端的方式進行自由的組合應用，如圖1，自動化數(shù)據(jù)包括經(jīng)典的架構，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架構的新自動化技術則需要全新的架構來支撐網(wǎng)絡的互聯(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），而在異構網(wǎng)絡中，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技術簡介
    OPC UA旨在解決語義互操作層面的互聯(lián)問題，當然，整個OPC UA架構，如圖2，包括了傳輸機制、元數(shù)據(jù)、基礎信息模型以及行業(yè)信息模型，整個架構設計思想是面向服務架構（SoA）。
    其實OPC UA包括了傳輸協(xié)議（支持TCP二進制、Web Service的傳輸機制），右側是包括元信息模型的規(guī)范，OPC UA服務集提供連接、屬性管理、安全通信服務、瀏覽等多種與傳輸通信相關的服務子集。在基礎的信息模型中，OPC UA提供了標準的Web服務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

OPC UA的基礎信息模型在于為訪問者提供了訪問與操作的標準，數(shù)據(jù)格式、語義的標準。
    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)?，變量?jié)點有相關的數(shù)據(jù)類型（DataType）來定義實際值，如字符串、浮點數(shù)、結構等。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構。
2.采用OPC UA的8個主要原因
    圖3總結了OPC UA之所以成為智能制造聚焦的互聯(lián)技術在于如圖所示的幾個方面，比較關鍵的在于：
    （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)同的機制本質(zhì)在于建立信息模型，將相互關聯(lián)的數(shù)據(jù)按照一定的架構進行采集分組并進行應用分析。
    （2）安全機制：對于OPC UA而言，其支持X509的安全信息交互標準，并支持角色與規(guī)則定義，為應用定義不同層級的權限管理。

圖3-支持OPC UA的8個主要原因

（3）廠商無關的獨立性：對于End User而言，這非常重要，因為任何一個企業(yè)的私有通信標準與規(guī)約不能成為一個用戶的標準，而OPC UA自身是公益型組織，而各個技術組織都愿意跟隨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)約對注塑機與MES之間進行交互的設備接口，這定義了對象數(shù)據(jù)的類型、結構，除了基礎的數(shù)據(jù)模型，在機器的數(shù)據(jù)對象和結構中包括了機器的基本信息、配置、注射單元、模具、驅(qū)動系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)對象與標準，并在Euromap 77.2、77.3中對作業(yè)單、數(shù)據(jù)組管理進行了標準的定義，這使得不同的上層管理系統(tǒng)可以以標準的方式訪問不同廠商的注塑機，對其狀態(tài)進行監(jiān)測，并可以給出指令給予機器執(zhí)行。

圖5-Euromap的信息模型結構

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）設備高動態(tài)實時響應-采用POWERLINK實時以太網(wǎng)技術，可以實現(xiàn)針對100μS的高速控制任務，適用于運動控制、CNC和機器人、高性能視覺系統(tǒng)等時間嚴苛的任務。
    （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可以用于實時任務亦可用于非實時任務的語義數(shù)據(jù)傳輸。
    （3）openSAFETY是針對功能安全應用的傳輸機制，其可以獨立于總線而運行，openSAFETY解決功能安全一致性問題，確?，F(xiàn)場的設備不會對人體造成傷害，也確?？刂葡到y(tǒng)不會遭遇認為的破壞。
    （4）TSN技術：針對未來的IIoT應用，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的新的傳輸機制，目前大部分領先的自動化公司如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TSN的產(chǎn)品化進程。
    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)在工廠的老舊設備包括Profibus、Ethernet/IP、SERCOSIII等模塊可供互聯(lián)之用。

關于貝加萊
    貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個業(yè)務單元。作為全球工業(yè)自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的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期的工業(yè)自動化領域前沿技術與方案。
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