貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司 宋華振

作者簡(jiǎn)介

宋華振（1972-），男，工程師，現任貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國）有限公司市場(chǎng)部經(jīng)理，多年從事工業(yè)自動(dòng)化系統的開(kāi)發(fā)和實(shí)施工作，現主要從事市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)策劃和市場(chǎng)分析工作。

摘要：實(shí)現多方向的跨界互聯(lián)是智能制造基礎網(wǎng)絡(luò )的主要需求，而構建集成通信網(wǎng)絡(luò )則是實(shí)現智能制造的一項關(guān)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(wǎng)絡(luò )平臺的一些技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：智能制造；基礎網(wǎng)絡(luò )；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(zhù)《中國制造2025》和德國“ 工業(yè)4.0”第四次工業(yè)革命策略的實(shí)施和深入進(jìn)展，為其提供支撐的自動(dòng)化、信息化和智能化相關(guān)技術(shù)，如人工智能、機器人、3D打印、物聯(lián)網(wǎng)、大數據和云計算等也得到快速發(fā)展和推廣應用。多方向的跨界互聯(lián)是智能制造基礎網(wǎng)絡(luò )的主要特征，而合理地構建智能制造的集成通信網(wǎng)絡(luò )也就成為了實(shí)現智能制造的一項關(guān)鍵因素。以下主要論述關(guān)于智能制造基礎網(wǎng)絡(luò )平臺的一些技術(shù)問(wèn)題。

2　智能集成時(shí)代的網(wǎng)絡(luò )需求

無(wú)論我們討論“ 工業(yè)4.0”、《中國制造2025》還是物聯(lián)網(wǎng)，都必須面對如何實(shí)現跨界互聯(lián)的問(wèn)題，這里所討論的各種領(lǐng)域的互聯(lián)中包含了服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)（IoS）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智能工廠(chǎng)、CPS集成等多個(gè)話(huà)題，在圖1智能工廠(chǎng)智能互聯(lián)定義中，可以看到，在未來(lái)的智能制造中，這些將牽涉到多個(gè)方向的互聯(lián)問(wèn)題。

圖1 智能工廠(chǎng)智能互聯(lián)的定義[1]

為了實(shí)現各種互聯(lián)，對網(wǎng)絡(luò )的需求包括了互操作性、可視化、實(shí)時(shí)、模塊化等，在表1中，我們可以對其進(jìn)行簡(jiǎn)要地描述，這也體現了智能時(shí)代網(wǎng)絡(luò )的復雜性需求。

表1 “工業(yè)4.0”所關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )架構[2]

這對智能制造的集成網(wǎng)絡(luò )提出了新的需求，包括了多個(gè)層面的需求，如圖2所示，可以將網(wǎng)絡(luò )分為互聯(lián)、互通、互操作等多個(gè)層次，結合表1，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )需要解決實(shí)時(shí)性、互操作性、模塊化設計等功能。

圖2 智能集成網(wǎng)絡(luò )需求層次[3]

綜上所述，智能集成時(shí)代的網(wǎng)絡(luò )需要具備：

（1）實(shí)時(shí)性，滿(mǎn)足機器內部的互聯(lián)；

（2）互通性，滿(mǎn)足不同供應商設備的互通；

（3）互操作，滿(mǎn)足針對異構網(wǎng)絡(luò )中的設備集成；

（4）模塊化，實(shí)現智能集成時(shí)代對于分布式控制架構設計的需求。

如何為智能集成時(shí)代的工業(yè)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(chǎng)集成通信互聯(lián)互通與互操作的集成方案。

3　為智能集成提供的基礎網(wǎng)絡(luò )

EPSG致力于為工業(yè)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(shí)時(shí)通信技術(shù)，面對今天更為廣泛的互聯(lián)需求，EPSG組織持續創(chuàng )新，推出針對OPC UA集成的POWERLINK擴展協(xié)議棧，并將在未來(lái)提出TSN集成的網(wǎng)絡(luò )架構。也即，POWERLINK技術(shù)組織提供針對互聯(lián)、互通、語(yǔ)義互操作、安全的全方位集成解決方案。

3.1　POWERLINK——實(shí)時(shí)通信基礎網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)

它具有如下特點(diǎn)：

（1）高性能低抖動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信，POWERLINK支持100Mbps的傳輸，小于1us的抖動(dòng)；

（2）主從完全開(kāi)源的實(shí)時(shí)通信技術(shù)；

（3）冗余技術(shù)，支持各種冗余（環(huán)網(wǎng)、雙網(wǎng)……）；

（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(chǎn)品互通

借助于XML的設備描述文件——XML Device Description，不同的POWERLINK產(chǎn)品之間可以實(shí)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(xié)議，POWERLINK可以以較為簡(jiǎn)便的方式實(shí)現集成（如圖3所示），在運動(dòng)控制領(lǐng)域用DS402可以直接實(shí)現第三方運動(dòng)控制編程。

（1）XDD文件集成第三方設備；

（2）CANopen DS402運動(dòng)控制；

（3）納入FDT/DTM協(xié)議中的配置網(wǎng)絡(luò )；

（4）OPC UA組織與EPSG簽署備忘錄，共同研發(fā)新的通信技術(shù)。

圖3 通過(guò)XDD實(shí)現POWERLINK多方產(chǎn)品集成

3.3　OPC UA實(shí)現語(yǔ)義互操作

3.3.1　OPC UA實(shí)現智能集成基礎信息模型

OPC UA 已經(jīng)被IIC和“工業(yè)4.0”組織確定為未來(lái)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(shí)現語(yǔ)義互操作。

（1）與POWERLINK技術(shù)融合；

（2）實(shí)現跨網(wǎng)絡(luò )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(lián)；

（5）垂直行業(yè)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(shí)現智能集成，必須為垂直、水平方向的集成進(jìn)行信息模型的建設，OPC基金會(huì )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(yè)的信息模型與各個(gè)技術(shù)組織、協(xié)會(huì )進(jìn)行合作，包括了諸如以下的一些組織：

（1）AutomationML：自配置通過(guò)使用自動(dòng)化Machine Language描述組件和機器以及OPC-UA的能力實(shí)現，使得它們可以相互通訊。由OPC 基金會(huì )和AutomationML e. V. 共同開(kāi)發(fā)的配套標準旨在將這兩項技術(shù)結合起來(lái)，以適應當前正在進(jìn)行的通訊數據的修改。

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

（3）PLCopen：針對工業(yè)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(kāi)發(fā)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(yè)的行業(yè)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(huì )的行規規范，于2015年SPS展會(huì )發(fā)布諒解備忘錄，POWERLINK組織將積極支持OPC UA的通信互聯(lián)開(kāi)發(fā)。

（7）ETG：在2015年與OPC基金會(huì )達成諒解備忘錄，并共同開(kāi)發(fā)在OPC UA互聯(lián)方面的通信集成。

（8）FDT/DTM：針對現場(chǎng)總線(xiàn)工具的配置。

（9）EUROMAP：針對塑料機械領(lǐng)域的數據通信模型。

（10）BacNet：針對樓宇自控領(lǐng)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(kāi)展與OPC基金會(huì )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(lián)開(kāi)發(fā)，并在其技術(shù)中實(shí)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(guò)這一通道進(jìn)行傳輸，這樣即可實(shí)現實(shí)時(shí)數據與非實(shí)時(shí)的OPC UA數據的交互，帶來(lái)的好處在于：

（1）真正的實(shí)現了M2M、B2M在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的傳輸；

（2）簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )架構；

（3）完美地實(shí)現了實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)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(shù)，這使得它可以在每個(gè)數據幀中傳輸1496字節的數據，而不同于集束幀僅能在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中傳輸一個(gè)以太網(wǎng)幀；

（5）滿(mǎn)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(shí)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(wèn)題

安全是智能時(shí)代不容忽視的一個(gè)問(wèn)題，傳統的安全會(huì )帶來(lái)當機，而在集成時(shí)代，這種當機會(huì )給OEE造成下降，以及產(chǎn)生諸多的不良品等問(wèn)題，而openSAFETY是滿(mǎn)足“工業(yè)4.0”時(shí)代集成的最佳實(shí)現，它可以在安全管理機制下實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )總的不同設備間安全信息的集成。

4.1　openSAFETY——實(shí)現安全與生產(chǎn)效率的平衡

智能集成時(shí)代，安全將成為關(guān)鍵，openSAFETY支持異構網(wǎng)絡(luò )中功能安全信息的交互，實(shí)現安全生產(chǎn)與生產(chǎn)效率的平衡。其特點(diǎn)如下：

（1）開(kāi)源技術(shù)；

（2）更高的響應能力，更高的安全性；

（3）可運行于多種總線(xiàn)之上（PROFINET、Ethernet/IP等）；

（4）支持SafeROBOTICS，協(xié)同機器人的安全集成；

（5）滿(mǎn)足SIL3、PLe功能安全一致性認證；

（6）滿(mǎn)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(lái)管理網(wǎng)絡(luò )，而在底層則可以將其運行在不同的通信協(xié)議如POWERLINK、CAN、TCP機制等基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )。

表2 IEC61784-3關(guān)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(shí)現，這樣確保了安全數據交互的高速實(shí)時(shí)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(gè)安全域的設備可以被完美地集成于一個(gè)架構下，實(shí)現相關(guān)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(chǎn)效率不會(huì )被影響，例如：通過(guò)SLS的減速可以實(shí)現不停機安全響應，而STO則可以實(shí)現安全恢復之后的不中斷生產(chǎn)，確保工藝加工得以延續，而不致產(chǎn)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(shí)代的整個(gè)網(wǎng)絡(luò )架構的設計，這包含了以下三個(gè)重要方面集成：

（1）智能機器的實(shí)時(shí)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(gè)架構可以看出，基于POWERLINK、OPC UA、openSAFETY，即可實(shí)現整個(gè)智能工廠(chǎng)從設備到MES、管理系統的整個(gè)集成。

這里包含了大數據的傳輸能力、一網(wǎng)到底的簡(jiǎn)化結構，滿(mǎn)足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧工廠(chǎng)、服務(wù)網(wǎng)的整體集成，是“工業(yè)4.0”最佳的通信實(shí)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(dòng)化技術(shù)應用在中國》