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OPC UA-智能制造的数据基础

www.cechina.cn2017.08.10阅读 6049

  对于智能制造而言,其实现的基础是数字互联—将整个企业从底层设备、现场传感器到机器的生产数据、工艺参数、能耗等进行采集,并为全局的生产优化提供数据分析的基础,传统的现场总线仅解决在控制层面的数据,而对智能制造则牵扯到全局的优化、策略、路径、规划的问题控制工程网版权所有,而这些互联又牵扯到异构网络与多代次产品的集成问题,OPC UA则是解决这一问题的聚焦点,在这里有必要结合实际对其进行分析并分析其应用。
  一、智能制造对于通信的需求变化
  智能制造与传统的垂直网络架构由所不同,传统的金字塔架构数据从底层到顶层一层层的数据,智能制造则会面临一个新的局面,即分布的计算单元需要不同的数据,数据以端对端的方式进行自由的组合应用,如图1CONTROL ENGINEERING China版权所有,自动化数据包括经典的架构,从控制级、过程控制、车间管理、SCADA、MES/ERP等多个层级。


  因此,基于CPS架构的新自动化技术则需要全新的架构来支撑网络的互联,传统的现场总线主要是解决互联互通(通信的协议与规范),而在异构网络中,以及IT与自动化的融合中,存在着对于语义互操作的迫切需求,不仅要包括了通信所传输的数据,而且包括了数据的语法与语义,才能实现互相之间的沟通,对数据的识别处理。
  二、为什么采用OPC UA?
  1.OPC UA技术简介

  OPC UA旨在解决语义互操作层面的互联问题,当然,整个OPC UA架构,如图2,包括了传输机制、元数据、基础信息模型以及行业信息模型,整个架构设计思想是面向服务架构(SoA)。
  其实OPC UA包括了传输协议(支持TCP二进制、Web Service的传输机制),右侧是包括元信息模型的规范,OPC UA服务集提供连接、属性管理、安全通信服务、浏览等多种与传输通信相关的服务子集。在基础的信息模型中,OPC UA提供了标准的Web服务来访问地址空间里的对象的框架,并确保信息的传输安全性。


  图2-OPC UA架构


  OPC UA的基础信息模型在于为访问者提供了访问与操作的标准,数据格式、语义的标准。
  OPC UA的对象(Object)是由被参考(Reference)连接的节点(Node)组成。不同的节点类(Class)传输不同的语义(Semantics)。一个变量节点代表“值”可以被读或写,变量节点有相关的数据类型(DataType)来定义实际值,如字符串、浮点数、结构等。方法节点(Method Node)代表可以被调用的功能,每个节点都有大量的属性包括唯一的识别号称为NodeID和称为BrowsName的非本地化命名。
  对于对象与可变节点(Variable Node)都称为实例节点(Intance Node),节点总是参考一个类型定义(ObjectType或VariableType),这些节点描述他们的语义和结构。
  2.采用OPC UA的8个主要原因
  图3总结了OPC UA之所以成为智能制造聚焦的互联技术在于如图所示的几个方面,比较关键的在于:
  (1)OPC UA建立了信息模型,对于不同的行业而言,实现互联、并制定协同的机制本质在于建立信息模型,将相互关联的数据按照一定的架构进行采集分组并进行应用分析。
  (2)安全机制:对于OPC UA而言,其支持X509的安全信息交互标准,并支持角色与规则定义,为应用定义不同层级的权限管理。


  图3-支持OPC UA的8个主要原因


  (3)厂商无关的独立性:对于End User而言,这非常重要,因为任何一个企业的私有通信标准与规约不能成为一个用户的标准,而OPC UA自身是公益型组织,而各个技术组织都愿意跟随OPC UA的发展脚步。目前各个现场总线基金会如POWERLINK、Profinet等都已经加入OPC UA基金会,包括FDT/DTM、OMAC/PackML、MTConnect、Euromap等垂直行业技术组织。
  三、OPC UA针对行业信息模型
  图4显示了OPC UA基金会不仅得到了各个现场总线组织的支持,也包括了OMAC/PackML、MTConnect、ISA-95、AutomationML等行业技术组织的支持。


  图4-OPC UA的支持组织


  如图5,即使Euromap 77规约对注塑机与MES之间进行交互的设备接口,这定义了对象数据的类型、结构,除了基础的数据模型,在机器的数据对象和结构中包括了机器的基本信息、配置、注射单元、模具、驱动系统等的数据对象与标准,并在Euromap 77.2、77.3中对作业单、数据组管理进行了标准的定义,这使得不同的上层管理系统可以以标准的方式访问不同厂商的注塑机CONTROL ENGINEERING China版权所有,对其状态进行监测,并可以给出指令给予机器执行。


  图5-Euromap的信息模型结构


  四、贝加莱完整的智能制造数据互联方案


  图6-贝加莱提供的工业现场通信互联整体解决方案


  贝加莱为整个互联提供了完整的解决方案:包括以下几个层面:
  (1)设备高动态实时响应-采用POWERLINK实时以太网技术,可以实现针对100μS的高速控制任务,适用于运动控制CNC机器人、高性能视觉系统等时间严苛的任务。
  (2)针对OPC UA,贝加莱在POWERLINK的异步数据阶段支持TCP/IP的传输,可以用于解决OPC UA的传输(OPC UA本身支持的是http和TCP传输),这样POWERLINK可以用于实时任务亦可用于非实时任务的语义数据传输。
  (3)openSAFETY是针对功能安全应用的传输机制www.cechina.cn,其可以独立于总线而运行,openSAFETY解决功能安全一致性问题,确保现场的设备不会对人体造成伤害,也确保控制系统不会遭遇认为的破坏。
  (4)TSN技术:针对未来的IIoT应用,大数据的传输和分析之用途,并减少在通信互联的硬件和软件投入www.cechina.cn,TSN将采用802.1的新的传输机制,目前大部分领先的自动化公司如ABB、B&R、SIEMENS、Schneider、Bosch Rexroth等都在开发新一代的TSN产品,而其它IT厂商则包括了华为、CISCO等也积极的推进TSN的产品化进程。
  除了这些自有的POWERLINK、openSAFETY以及面向未来的OPC UA+TSN外,贝加莱还有大量丰富的总线模块用于连接现在工厂的老旧设备包括Profibus、Ethernet/IP、SERCOSIII等模块可供互联之用。

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