應用于過程控制的對象連接與嵌入技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用

郭井寬, 楊家榮

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 存在的問題

當前,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼,無論是對智能制造,還是對智能運維而言,借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)字互聯(lián),將整個企業(yè)從底層設備和現(xiàn)場傳感器到機器的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等采集起來,為全局生產(chǎn)優(yōu)化和運營管理提供數(shù)據(jù)分析的基礎,是當前企業(yè)轉型的一條普遍路徑。然而,在推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的過程中,企業(yè)普遍反映面臨數(shù)據(jù)缺少和采集困難等問題。雖然不少主流自動化供應商提供了從控制層到信息層的各種連接和數(shù)據(jù)交互解決方案,但是現(xiàn)實情況是很少有企業(yè)的所有設備或控制器均由一家供應商提供,這導致在設備與控制器之間的信息交互方面,仍存在一定程度的困難和障礙。目前工業(yè)上用于通信的主要有現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等多種方式,由于早期的發(fā)展和競爭,用于通信的現(xiàn)場總線種類繁多,沒有統(tǒng)一的標準,不同總線之間的數(shù)據(jù)傳輸與信息共享無法直接實現(xiàn),尤其是異構網(wǎng)絡和各種型號、代次的產(chǎn)品與設備交叉混合使用,使工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集成為當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進過程中的一大難題。由此可見,應用于過程控制的對象連接與嵌入(OPC)技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用具有重要意義。

2 OPC技術的發(fā)展

工業(yè)企業(yè)現(xiàn)場車間有機床、控制器等不同設備,接口形式不同,協(xié)議不同,訪問連接的物理方式也不同,有的還在使用RS 232接口等方式,或通過專用的讀卡接口來訪問數(shù)據(jù)。隨著工廠、車間自動化與智能化的推進,人們對制造協(xié)同有越來越高的要求。企業(yè)中大量設備間的交互和連接是必須要實現(xiàn)的,而各臺機器所采用的卻是不同的通信協(xié)議。1995年,由羅克韋爾等企業(yè)發(fā)起,成立了OPC基金會。OPC技術的出現(xiàn),實現(xiàn)了不同設備廠商產(chǎn)品之間的相互集成與連接,為設備之間的通信和數(shù)據(jù)轉發(fā)提供了一個標準平臺。OPC技術中的對象連接與嵌入(OLE)技術,與ActiveX等技術一樣,也是微軟基于組件對象模型(COM)技術而建立起來的[1]。隨著技術的發(fā)展和市場需求的提升,COM等技術已逐漸淘汰,與此相對應,OPC技術在不斷發(fā)展和進步。OPC技術主要經(jīng)歷了三個階段:經(jīng)典OPC階段、OPC可擴展標記語言-數(shù)據(jù)訪問(XML-DA)階段和OPC統(tǒng)一架構(UA)階段。

2.1 經(jīng)典OPC階段

在經(jīng)典OPC階段,OPC技術主要包括OPC數(shù)據(jù)訪問(DA)接口、OPC報警與事件(AE)接口、OPC歷史數(shù)據(jù)訪問(HDA)接口等,提供了一整套過程控制中數(shù)據(jù)交換的軟件標準和接口[2]。其中,OPC DA接口定義了數(shù)據(jù)交換的規(guī)范,OPC AE接口定義了報警、事件消息、變量的狀態(tài)及如何管理,HDA接口定義了訪問及分析歷史數(shù)據(jù)的方法[3]。

在經(jīng)典OPC階段,OPC軟件可以分為OPC服務器軟件和OPC客戶端兩大類。OPC服務器軟件是整個系統(tǒng)的核心,對可編程序控制器(PLC)等現(xiàn)場設備的硬件驅動進行了很好的封裝,使客戶端在需要訪問設備時,不需要考慮具體的連接方式、通信協(xié)議等內容。在實際通信時,服務器與可編程序控制器等現(xiàn)場設備連接,通過驅動程序將各種不同的現(xiàn)場總線、通信協(xié)議轉換為統(tǒng)一的OPC協(xié)議。另一方面,通過標準OPC協(xié)議也可以與OPC客戶端軟件進行通信,實現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送至客戶端進行操作,或將來自客戶端的指令發(fā)送至可編程序控制器等現(xiàn)場設備,實現(xiàn)控制的目標。經(jīng)典OPC階段通信原理如圖1所示。

圖1 經(jīng)典OPC階段通信原理

在經(jīng)典OPC階段,OPC技術隨著發(fā)展及外部因素的變化,已經(jīng)不能完全滿足工業(yè)領域不斷發(fā)展的需求,主要表現(xiàn)在三個方面[4]。

(1) 由于安全性原因,微軟已經(jīng)弱化淘汰COM這種技術,進而轉向了跨平臺的面向服務的架構(SOA)技術。

(2) OPC DA接口、OPC AE接口、OPC HDA接口地址完全獨立,開發(fā)時需要分別調用,為開發(fā)帶來了不便,并提高了難度。而OPC供應商則希望提供一種數(shù)據(jù)模型,將所有接口統(tǒng)一起來。

(3) 為了應對許多控制器基于嵌入式LINUX等操作系統(tǒng)進行開發(fā)的現(xiàn)狀,企業(yè)希望將技術應用到非視窗操作系統(tǒng),終端用戶更是希望能夠在設備硬件的固件程序中直接訪問OPC服務器軟件。

2.2 OPC XML-DA階段

由于網(wǎng)絡防火墻會過濾掉大多數(shù)基于COM技術傳輸?shù)臄?shù)據(jù),加之為了適應跨平臺和網(wǎng)絡連接下遠程控制和訪問等的要求,出現(xiàn)了XML技術和Web服務,因此OPC基金會著手制訂了新的OPC XML-DA規(guī)范。這是第一個平臺獨立的OPC規(guī)范,使用超文本傳輸協(xié)議(HTTP)/簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)和Web服務技術替代普通COM和分布式COM。受限于當時的網(wǎng)絡傳輸帶寬等因素,OPC XML-DA規(guī)范將數(shù)據(jù)交換的方法減到最少,以便于網(wǎng)絡和企業(yè)信息的集成,同時解決了多個平臺之間的互操作性問題,使嵌入式系統(tǒng)和非視窗操作系統(tǒng)也能使用OPC技術[5]。但是,由于數(shù)據(jù)傳輸效率的問題,對數(shù)據(jù)傳輸有較高要求的場合仍然在使用經(jīng)典OPC階段的OPC技術,OPC XML-DA規(guī)范的使用場合較少。

2.3 OPC UA階段

OPC UA是OPC基金會發(fā)布的一種最新通信方法,涵蓋了OPC DA、OPC HDA、OPC AE和OPC安全協(xié)議,在原有OPC技術的基礎上進行了功能擴展。OPC UA可以在視窗、LINUX等多種操作系統(tǒng)中運行,適用于嵌入式設備和云設施。此外,OPC UA對模型架構進行了改進,如圖2所示。圖2中,JSON為JavaScript對象簡譜,TCP為傳輸控制協(xié)議,UADP為統(tǒng)一訪問數(shù)據(jù)平臺,DUP為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議,TSN為時間敏感網(wǎng)絡,MQTT為消息隊列遙測傳輸,AMQP為高級消息隊列協(xié)議。OPC UA彌補了許多早期OPC技術的不足,通信性能有了大幅提高,通信范圍也更廣。OPC UA已經(jīng)是工業(yè)自動化領域眾所周知的通信方法,當前,OPC基金會正在大力推動OPC UA的開發(fā)與應用。

圖2 OPC UA模型架構

3 OPC UA在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應用的意義

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,工業(yè)網(wǎng)絡將會面臨一項重要挑戰(zhàn),即要能夠承載系統(tǒng)中設備之間大規(guī)模的數(shù)據(jù)交互、信息融合與實時互操作。工業(yè)網(wǎng)絡對傳輸確定性、實時性、可靠性的要求都非常高,傳統(tǒng)以太網(wǎng)的通信機制是在網(wǎng)絡出現(xiàn)沖突時不斷重發(fā)數(shù)據(jù),顯然難以保證工業(yè)領域對傳輸實時性的要求。另一方面,工業(yè)現(xiàn)場工況普遍較差,電磁干擾較多,同樣給傳輸?shù)目煽啃詭砹溯^大的挑戰(zhàn)。雖然工業(yè)以太網(wǎng)相對于傳統(tǒng)以太網(wǎng)在實時性和傳輸速率方面有明顯改進,在滿足現(xiàn)場設備的控制要求等方面已經(jīng)表現(xiàn)相當出色,但是面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代仍然存在明顯短板。通信數(shù)據(jù)已經(jīng)不僅僅局限于設備和設備之間,還有各類傳感器、邊緣設備等都會接入網(wǎng)絡,在面對各種類型及采集頻率的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理時,如何做到更精準的控制和更短的延時,是工業(yè)界面臨的一項重要挑戰(zhàn)。由此可見,新一代工業(yè)網(wǎng)絡必須同時具備大帶寬、高速率和實時確定性的特性,這是現(xiàn)階段各大廠商對產(chǎn)品在網(wǎng)絡接口和通信協(xié)議方面進行升級的一個重要方向。鑒于當前工業(yè)系統(tǒng)的總體規(guī)模和復雜性不僅體現(xiàn)在同一協(xié)議網(wǎng)絡內各設備之間,而且體現(xiàn)在跨協(xié)議、跨網(wǎng)絡系統(tǒng)之間,由此在交互時必須要考慮實時通信和互操作的解決方案。從通信協(xié)議的模型架構看,解決方案主要分為數(shù)據(jù)傳輸和語義解析兩個層面。

在數(shù)據(jù)傳輸層面,目前大部分工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議都采用了以太網(wǎng)的物理介質和TCP/網(wǎng)際協(xié)議(IP)的傳輸方式。為了達到數(shù)據(jù)通信實時確定性的要求,對數(shù)據(jù)鏈路層進行不同程度的修改,在提升通信速率和帶寬的同時,引入一種通用的實時確定性機制。TSN技術的出現(xiàn),保證了網(wǎng)絡短延時、高可靠性的要求,其核心技術包括網(wǎng)絡帶寬預留、精確時鐘同步、流量整形等[6]。

在語義解析層面,主要難點是各家廠商不同通信協(xié)議帶來的跨網(wǎng)絡互操作問題?？紤]到工業(yè)領域產(chǎn)品與應用的復雜性和多樣性,各家廠商不會輕易放棄已有的標準和接口,應用數(shù)據(jù)模型方面的差異必定會長期存在。一些主流廠商正在試圖借助OPC UA來解決不同協(xié)議體系之間的互操作問題。OPC UA作為一種設備互聯(lián)方法,實質是由硬件供應商、軟件開發(fā)者、終端用戶共同制定和開發(fā)的一整套規(guī)范,基本原理是將設備或系統(tǒng)間互操作所需的應用數(shù)據(jù)由內置的OPC UA數(shù)據(jù)端口以服務器-客戶端或訂閱-發(fā)布的形式進行交互處理,從而實現(xiàn)相應的通信操作[7]。當前,施耐德、倍福、西門子、霍尼韋爾等廠商,以及微軟、華為等軟件企業(yè)都已集成或納入OPC UA,我國國家標準GB/T 33863—2017《OPC統(tǒng)一架構》已經(jīng)發(fā)布,智能制造體系中也已經(jīng)將OPC UA納入了互操作規(guī)范[8]。

由OPC UA和TSN構成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構如圖3所示。圖3中,TLS為安全傳輸層協(xié)議。OPC UA和TSN解決了互聯(lián)網(wǎng)對應在工業(yè)領域的七層架構問題[9],不同模式適用于不同系統(tǒng),如服務器-客戶端模式能夠使傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)確保兼容性,訂閱-發(fā)布機制適合邊緣、云架構的連接。最新發(fā)布的OPC UA納入了許多新技術,如對原有的MQTT/AMQP機制進行了集成,納入了由德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會機器視覺部主持開發(fā)的機器視覺配套規(guī)范,以滿足當前智能化浪潮下機器人對在制品位置、幾何尺寸等的識別需求,進而方便機器人完成各種抓取、分揀工作。

圖3 由OPC UA和TSN構成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構

4 結束語

當前,OPC UA成為自動化和信息化系統(tǒng)廠商關注的焦點。OPC UA為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了一個標準與規(guī)范,其信息模型為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用和實施提供了更高效的數(shù)據(jù)采集、傳輸與應用功能,同時可以降低開發(fā)、測試驗證、維護、升級的難度和成本[10-11]。未來,由OPC UA和TSN構成的采集系統(tǒng)將會成為邊緣計算端、云端等應用的數(shù)據(jù)源。隨著數(shù)據(jù)采集成本的降低,移動終端完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人機界面為工程師顯示現(xiàn)場的狀態(tài)。與此同時,機器制造商可以為客戶提供基于數(shù)據(jù)驅動的服務,包括預測性維護、基于時間的服務租用、智能運維等,更為出色地發(fā)揮自身的技術能力,從而獲得盈利。如果數(shù)據(jù)采集通道不暢通,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就無法發(fā)揮出價值。由此可見,通過應用OPC技術,使信息在不同平臺間交換暢通無阻,從而節(jié)省軟件開發(fā)時間,加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的采集和融合,進而使整個制造業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)效能提升,具有重要意義。