對于智能制造而言，其實(shí)現的基礎是數字互聯(lián)—將整個(gè)企業(yè)從底層設備、現場(chǎng)傳感器到機器的生產(chǎn)數據、工藝參數、能耗等進(jìn)行采集，并為全局的生產(chǎn)優(yōu)化提供數據分析的基礎，傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)僅解決在控制層面的數據，而對智能制造則牽扯到全局的優(yōu)化、策略、路徑、規劃的問(wèn)題，而這些互聯(lián)又牽扯到異構網(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)，在這里有必要結合實(shí)際對其進(jìn)行分析并分析其應用。

一、智能制造對于通信的需求變化

智能制造與傳統的垂直網(wǎng)絡(luò )架構由所不同，傳統的金字塔架構數據從底層到頂層一層層的數據，智能制造則會(huì )面臨一個(gè)新的局面，即分布的計算單元需要不同的數據，數據以端對端的方式進(jìn)行自由的組合應用，如圖1，自動(dòng)化數據包括經(jīng)典的架構，從控制級、過(guò)程控制、車(chē)間管理、SCADA、MES/ERP等多個(gè)層級。

因此，基于CPS架構的新自動(dòng)化技術(shù)則需要全新的架構來(lái)支撐網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，傳統的現場(chǎng)總線(xiàn)主要是解決互聯(lián)互通（通信的協(xié)議與規范），而在異構網(wǎng)絡(luò )中，以及IT與自動(dòng)化的融合中，存在著(zhù)對于語(yǔ)義互操作的迫切需求，不僅要包括了通信所傳輸的數據，而且包括了數據的語(yǔ)法與語(yǔ)義，才能實(shí)現互相之間的溝通，對數據的識別處理。

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，當然，整個(gè)OPC UA架構，如圖2，包括了傳輸機制、元數據、基礎信息模型以及行業(yè)信息模型，整個(gè)架構設計思想是面向服務(wù)架構（SoA）。

其實(shí)OPC UA包括了傳輸協(xié)議（支持TCP二進(jìn)制、Web Service的傳輸機制），右側是包括元信息模型的規范，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。在基礎的信息模型中，OPC UA提供了標準的Web服務(wù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)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(fǎng)問(wèn)者提供了訪(fǎng)問(wèn)與操作的標準，數據格式、語(yǔ)義的標準。

OPC UA的對象（Object）是由被參考（Reference）連接的節點(diǎn)（Node）組成。不同的節點(diǎn)類(lèi)(Class)傳輸不同的語(yǔ)義（Semantics）。一個(gè)變量節點(diǎn)代表“值”可以被讀或寫(xiě)，變量節點(diǎn)有相關(guān)的數據類(lèi)型（DataType）來(lái)定義實(shí)際值，如字符串、浮點(diǎn)數、結構等。方法節點(diǎn)（Method Node）代表可以被調用的功能，每個(gè)節點(diǎn)都有大量的屬性包括唯一的識別號稱(chēng)為NodeID和稱(chēng)為BrowsName的非本地化命名。

對于對象與可變節點(diǎn)（Variable Node）都稱(chēng)為實(shí)例節點(diǎn)（Intance Node），節點(diǎn)總是參考一個(gè)類(lèi)型定義(ObjectType或VariableType)，這些節點(diǎn)描述他們的語(yǔ)義和結構。

2.采用OPC UA的8個(gè)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(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，對于不同的行業(yè)而言，實(shí)現互聯(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(guān)聯(lián)的數據按照一定的架構進(jìn)行采集分組并進(jìn)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(gè)主要原因

（3）廠(chǎng)商無(wú)關(guān)的獨立性：對于End User而言，這非常重要，因為任何一個(gè)企業(yè)的私有通信標準與規約不能成為一個(gè)用戶(hù)的標準，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)現場(chǎng)總線(xiàn)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)現場(chǎng)總線(xiàn)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規約對注塑機與MES之間進(jìn)行交互的設備接口，這定義了對象數據的類(lèi)型、結構，除了基礎的數據模型，在機器的數據對象和結構中包括了機器的基本信息、配置、注射單元、模具、驅動(dòng)系統等的數據對象與標準，并在Euromap 77.2、77.3中對作業(yè)單、數據組管理進(jìn)行了標準的定義，這使得不同的上層管理系統可以以標準的方式訪(fǎng)問(wèn)不同廠(chǎng)商的注塑機，對其狀態(tài)進(jìn)行監測，并可以給出指令給予機器執行。

圖5-Euromap的信息模型結構

四、貝加萊完整的智能制造數據互聯(lián)方案

圖6-貝加萊提供的工業(yè)現場(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）設備高動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)響應-采用POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現針對100μS的高速控制任務(wù)，適用于運動(dòng)控制、CNC和機器人、高性能視覺(jué)系統等時(shí)間嚴苛的任務(wù)。

（2）針對OPC UA，貝加萊在POWERLINK的異步數據階段支持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)義數據傳輸。

（3）openSAFETY是針對功能安全應用的傳輸機制，其可以獨立于總線(xiàn)而運行，openSAFETY解決功能安全一致性問(wèn)題，確?，F場(chǎng)的設備不會(huì )對人體造成傷害，也確?？刂葡到y不會(huì )遭遇認為的破壞。

（4）TSN技術(shù)：針對未來(lái)的IIoT應用，大數據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(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(chǎng)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(xiàn)模塊用于連接現在工廠(chǎng)的老舊設備包括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構的創(chuàng )新驅動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個(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(hù)提供機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化、運動(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)通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的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)。貝加萊保持持續的創(chuàng )新精神，為客戶(hù)提供更為簡(jiǎn)化以及超出預期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。