工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通問題分析及解決思路

王麟琨 劉丹 公彥杰

(機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100055)

0 引言

近年來，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)正在逐步走向深度融合，也推動(dòng)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展。實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備與信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通是實(shí)施智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)條件和基本前提，沒有現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通就意味著工業(yè)應(yīng)用缺乏現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐，工業(yè)云、工業(yè)大數(shù)據(jù)也將成為無源之水。但目前工業(yè)領(lǐng)域存在傳統(tǒng)制造裝備信息化程度不高、現(xiàn)場設(shè)備種類繁多、不同廠商設(shè)備使用的通信接口各不相同、工業(yè)通信協(xié)議多樣等問題，導(dǎo)致異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存，存在較多“信息孤島”或“不能充分互聯(lián)互通的信息孤島”。在工程實(shí)施層面，需大量時(shí)間、精力與人力成本用于現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通，且在不同企業(yè)、工業(yè)場景需要重新開展現(xiàn)場設(shè)備的互聯(lián)互通，導(dǎo)致工作量巨大，因此急需標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)用的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通解決方案。

1 設(shè)備互聯(lián)互通的含義

IEC TR 62390《通用自動(dòng)化設(shè)備 行規(guī)導(dǎo)則》[1]定義了基于行規(guī)的設(shè)備的兼容性等級，以使設(shè)備處于相同的通信平臺，并按等級區(qū)分設(shè)備之間確定的兼容性程度和互操作性程度。在該標(biāo)準(zhǔn)中中，設(shè)備的兼容性等級可分為不兼容、共存、互聯(lián)、互通、互操作和互換(見圖1)。

通常說的設(shè)備互聯(lián)互通包含了上述互聯(lián)、互通、和互操作3個(gè)層面的含義?；ヂ?lián)是指使用相同的通信協(xié)議、通信接口和數(shù)據(jù)訪問，在網(wǎng)絡(luò)連接的情況下能保證設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，但無法確保對方能夠理解傳輸數(shù)據(jù)的語法和語義；互通是指設(shè)備之間能夠傳送參數(shù)，即除了通信協(xié)議、通信接口和數(shù)據(jù)訪問外，設(shè)備之間參數(shù)的數(shù)據(jù)類型也是相同的，即互相能夠理解傳輸數(shù)據(jù)的語法，但無法保證語義的確定性[2]；互操作是指設(shè)備能夠在一個(gè)或多個(gè)分布式應(yīng)用程序中一起工作，并完成特定任務(wù)，傳輸信息具有語法和語義的確定性。

圖1 設(shè)備兼容性等級

2 工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 工業(yè)通信技術(shù)

工業(yè)通信技術(shù)按照類型通?？煞譃楝F(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線，這3類工業(yè)通信技術(shù)在出現(xiàn)時(shí)間、應(yīng)用規(guī)模、未來發(fā)展和應(yīng)用需求等方面各有不同。下面主要介紹前兩種技術(shù)。

現(xiàn)場總線出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代后期，是一種數(shù)字化、實(shí)時(shí)、雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)的通信技術(shù)，用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互連，以及現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)相連?，F(xiàn)場總線作為底層測量和控制的窄帶通信網(wǎng)絡(luò)，通常采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)/開放系統(tǒng)互聯(lián)(Open System Interconnection，OSI)模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層，物理層較多地采用RS-485、MBP (Manchester Bus Powered，總線供電的曼徹斯特編碼)等傳輸技術(shù)，在工程應(yīng)用中不同現(xiàn)場總線支持的通信速率從幾Kbit/s、幾十Kbit/s到Mbit/s不等，通常支持總線型、星型、環(huán)型等多分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有布線和安裝簡單、節(jié)省電纜、現(xiàn)場設(shè)備智能化程度較高、開放性與可互操作性、可擴(kuò)展性、環(huán)境高度適應(yīng)性(如多種介質(zhì)、總線供電、本質(zhì)安全和防爆等)等優(yōu)勢。目前已知的用于工業(yè)的現(xiàn)場總線有幾十種之多，收錄在IEC 61158[3]中的有20多種，具有較大影響力的現(xiàn)場總線主要有PROFIBUS、ControlNet、FF、CC-LINK、Modbus、HART等?，F(xiàn)場總線已經(jīng)廣泛用于離散制造、流程制造等工業(yè)領(lǐng)域。

工業(yè)以太網(wǎng)在20世紀(jì)初期獲得了快速發(fā)展，是繼現(xiàn)場總線之后工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的階段，也是通信技術(shù)在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的融合應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn))兼容或以該標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，使得實(shí)時(shí)性、可靠性等通信性能能滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的需要，并在產(chǎn)品強(qiáng)度、材質(zhì)選用、安裝部署方式等方面能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境要求。從技術(shù)路線上可將工業(yè)以太網(wǎng)分為兩大類，即基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和基于改進(jìn)以太網(wǎng)，基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)又可分為采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議(如Modbus/TCP、EthernetIP)和優(yōu)化后或不采用TCP/IP協(xié)議(如CC-Link IE、Powerlink、PROFINET RT)；基于改進(jìn)以太網(wǎng)(如Ethernet、PROFINET IRT)需要使用專用物理層芯片并直接與應(yīng)用層進(jìn)行消息交互，以獲得更優(yōu)的實(shí)時(shí)性能。從應(yīng)用角度看，在一些場景工業(yè)以太網(wǎng)還無法完全取代現(xiàn)場總線，但在自動(dòng)化新安裝節(jié)點(diǎn)占比上工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)超過現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)逐步取代現(xiàn)場總線是未來發(fā)展趨勢。目前，工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線處于共存狀態(tài)，預(yù)計(jì)這種共存狀態(tài)將長期存在。

2.2 工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備集成技術(shù)

工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備使用相同的通信協(xié)議并不意味著解決了互聯(lián)互通問題，工業(yè)通信協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)考慮到在不同工業(yè)領(lǐng)域、不同工業(yè)場景的適用性，這就需要在工業(yè)通信協(xié)議基礎(chǔ)上定義適用于不同工業(yè)領(lǐng)域和工業(yè)場景的規(guī)約/行規(guī)(Profile)，如基于PROFIBUS DP協(xié)議定義PA規(guī)約使其適用于流程工業(yè)，定義Drive個(gè)月使其適用于驅(qū)動(dòng)類控制。但工業(yè)通信協(xié)議和規(guī)約確定仍然不能完全解決互聯(lián)互通和集成問題，因?yàn)樵O(shè)備類型多樣、設(shè)備制造商眾多，不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能、通信模式等都不一致，組態(tài)軟件和應(yīng)用軟件需要知道更多設(shè)備實(shí)現(xiàn)層面的信息，需要工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備集成技術(shù)支撐。

根據(jù)目前的應(yīng)用情況，本文介紹幾種典型的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備集成技術(shù)(如GSD、EDD、FDT/DTM、OPC UA)。通用站點(diǎn)描述(Generic Station Description，GSD)技術(shù)用于PROFIBUS DP或者PROFINET I/O設(shè)備特性以及通信配置信息中，基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成在同一總線系統(tǒng)中，簡化用戶配置過程。電子設(shè)備描述(Electronic Device Description，EDD)技術(shù)基于結(jié)構(gòu)化文本描述設(shè)備規(guī)約或設(shè)備參數(shù)等，基于EDD的文件可對儀表進(jìn)行組態(tài)、故障診斷、數(shù)據(jù)顯示等，使得MES、SCADA、ERP等上層軟件容易獲取現(xiàn)場設(shè)備信息?，F(xiàn)場設(shè)備工具(Field Device Tool，F(xiàn)DT)/設(shè)備類型管理器(Device Type Manager，DTM)[4]技術(shù)是采用軟件工具方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的配置、調(diào)試和管理，F(xiàn)DT技術(shù)由FDT框架應(yīng)用程序、設(shè)備DTM、通信DTM 3個(gè)關(guān)鍵組件組成，通過FDT可以集成不同廠商、不同通信協(xié)議、不同類型的現(xiàn)場總線設(shè)備。開放平臺通信統(tǒng)一架構(gòu)(Open Platform Communications Unified Architecture，OPC UA)技術(shù)將傳統(tǒng)開放平臺通信(Open Platform Communication，OPC)規(guī)范的所有功能集成到一個(gè)可擴(kuò)展框架，實(shí)現(xiàn)了跨平臺支持，具有強(qiáng)大的信息建模能力。FDT規(guī)范定義了框架應(yīng)用程序FDT對象及其接口、設(shè)備廠商提供的設(shè)備相關(guān)軟件組件(即設(shè)備DTM)和主系統(tǒng)廠商的工程軟件之間的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得主系統(tǒng)廠商通過一個(gè)工程工具軟件就可以集成不同廠商、不同通信協(xié)議、不同類型的現(xiàn)場總線設(shè)備。GSD、EDD、FDT/DTM技術(shù)主要用于設(shè)備組態(tài)和監(jiān)控，較少用于與車間運(yùn)行管理和企業(yè)管理相關(guān)的軟件集成。OPC UA技術(shù)被公認(rèn)為在工廠信息技術(shù)(Information Technology，IT)系統(tǒng)和操作技術(shù)(Operation Technology，OT)系統(tǒng)集成方面有顯著優(yōu)勢，但目前還不會(huì)用于現(xiàn)場控制層面的集成應(yīng)用，未來OPC UA技術(shù)與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(Time Sensitive Network，TSN)結(jié)合將顯著提升應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，擴(kuò)展OPC UA技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化工作

工業(yè)通信和集成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)歸口單位，在國際上為國際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)工業(yè)過程測量控制和自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)(IEC/TC65)，在國內(nèi)為全國工業(yè)過程測量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC124)。工業(yè)通信和集成主要標(biāo)準(zhǔn)可分為工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

工業(yè)現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC 61158[3]《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)》系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了市場上主流的近20多種通信協(xié)議，包括我國自主工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet for Plant Automation，EPA)(Type 14)，市場上主流的FF、FF HSE、PROFIBUS、PROFINET、Modbus、Modbus TCP、ControlNet、Ethernet/IP、CC-Link、CC-Link IE、Powerlink、EtherCAT、HART等。

規(guī)約/行規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要是IEC 61784[5]《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 行規(guī)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是IEC 61158的“伴隨”標(biāo)準(zhǔn)，定義了包括IEC 61784-1現(xiàn)場總線通信行規(guī)、IEC 61784-2實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信行規(guī)、IEC 61784-3功能安全通信行規(guī)、IEC 61784-4工業(yè)信息安全行規(guī)(已轉(zhuǎn)為IEC 62443)、IEC 61784-5安裝行規(guī)等。

集成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 61804[6]《過程控制功能塊(FB) 第3部分：電子設(shè)備描述語言(EDDL)》系列標(biāo)準(zhǔn)、IEC 62453[7]《現(xiàn)場設(shè)備工具(FDT)接口規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)、IEC 62769[8]《現(xiàn)場設(shè)備集成(FDI)》系列標(biāo)準(zhǔn)、IEC 62541[9]《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》系列標(biāo)準(zhǔn)等。

3 面向高效集成的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通解決思路

3.1 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通問題分析

現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通可分為兩個(gè)層次，一是現(xiàn)場控制和現(xiàn)場監(jiān)控層面的互聯(lián)互通，二是現(xiàn)場設(shè)備與車間及以上管理類軟件的集成。在現(xiàn)場控制和現(xiàn)場監(jiān)控層面，流程制造行業(yè)現(xiàn)場設(shè)備集成與互聯(lián)互通具有較為完善的，包含工業(yè)通信協(xié)議、行規(guī)、集成技術(shù)及工具在內(nèi)的技術(shù)體系；離散制造行業(yè)現(xiàn)場設(shè)備集成與互聯(lián)互通面臨較多問題，總體上離散制造裝備通信接口開放性和標(biāo)準(zhǔn)化不足，即使采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議但行規(guī)常為自定義。在現(xiàn)場設(shè)備與車間及工廠管理類軟件的集成層面，無論是離散制造還是流程制造，總體上還是基于項(xiàng)目的技術(shù)方案，還未形成廣泛被接受的統(tǒng)一集成架構(gòu)。

不同行業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通的水平和成熟度是不同的，下面以儀器儀表、數(shù)控機(jī)床、注塑裝備等行業(yè)為例加以闡述。用于流程行業(yè)的各類儀器儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、集散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System，DCS)等設(shè)備目前已經(jīng)基本解決互聯(lián)互通問題。先進(jìn)物理層(Advanced Physical Layer，APL)是流程自動(dòng)化領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展趨勢，基于兩線制以太網(wǎng)并結(jié)合OPC UA等集成技術(shù)將實(shí)現(xiàn)高效集成應(yīng)用；數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域廠商分散，通信協(xié)議眾多而繁雜，但已逐步形成幾大互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，比如美國機(jī)械制造技術(shù)協(xié)會(huì)(AMT)提出的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)通訊協(xié)議(MTConnect協(xié)議)、德國機(jī)床制造商協(xié)會(huì)(VDW)提出的基于OPC UA技術(shù)的通用機(jī)床接口標(biāo)準(zhǔn)(Universal Machine Tool Interface，UMTI)、由中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織行業(yè)企業(yè)研制的數(shù)控裝備工業(yè)互聯(lián)通訊協(xié)議NC-Link標(biāo)準(zhǔn)；注塑裝備互聯(lián)互通國內(nèi)目前并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主要是制造商自行定義，但已開展信息模型方面研究工作。2016年，歐洲塑料和橡膠機(jī)械制造商協(xié)會(huì)(EUROMAP)發(fā)布了基于OPC UA的EUROMAP77標(biāo)準(zhǔn)，用于注塑機(jī)與制作執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)之間的信息集成。

現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通在工程實(shí)施中面臨幾方面問題：接口，包括通信協(xié)議或者規(guī)約，不開放或經(jīng)濟(jì)代價(jià)過高無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，如電子制造設(shè)備；接口開放，但協(xié)議或規(guī)約是非標(biāo)準(zhǔn)化的，可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，但時(shí)間和人力消耗很高；標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和規(guī)約可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，仍需消耗一定的時(shí)間和人力。在通信協(xié)議和規(guī)約開放的情況下，現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通一定可以實(shí)現(xiàn)，但切換到新的工業(yè)場景下前期互聯(lián)互通做的工作難以復(fù)制，造成大量重復(fù)性工作。所以，互聯(lián)互通的關(guān)鍵在于形成可復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通解決方案。

3.2 總體解決思路

為解決上述問題，可以形成可復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場設(shè)備、車間和工廠級管理信息系統(tǒng)互聯(lián)互通解決方案為目標(biāo)，提出OPC UA+信息模型+平臺化網(wǎng)關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化互聯(lián)互通方案(見圖2)。

圖2 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通總體思路

圖3 OPC UA快速開發(fā)整體機(jī)制

OPC UA和信息模型是上述方案核心，鑒于OPC UA規(guī)范實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，推薦使用OPC UA快速開發(fā)機(jī)制。如圖3所示，首先選用通過認(rèn)證的可剪裁精簡OPC UA協(xié)議棧軟件開發(fā)包(Software Development Kit ，SDK)，然后使用信息模型編輯器和信息模型加載器兩個(gè)工具。其中，信息模型編輯器可提供信息模型模板庫，用戶使用這些模板庫可快速完成制造裝備復(fù)雜信息模型的創(chuàng)建與修改，并自動(dòng)生成描述制造裝備信息模型的XML描述文件；信息模型加載器以XML文件為輸入，對其進(jìn)行自動(dòng)解析并實(shí)現(xiàn)OPC UA地址空間的自動(dòng)生成、地址空間節(jié)點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)映射關(guān)聯(lián)，最終自動(dòng)生成制造裝備OPC UA信息模型服務(wù)器，可以被任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA客戶端訪問。

4 結(jié)束語

無論是推進(jìn)智能制造還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通都是需要首先解決的問題。雖然工業(yè)領(lǐng)域使用的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)類型眾多，多種集成技術(shù)并存，上述共生并存狀態(tài)也是多招詬病，但不可否認(rèn)的客觀事實(shí)是，無論哪一種技術(shù)或解決方案都不能滿足眾多工業(yè)行業(yè)的全部需求。通過實(shí)踐后回看現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通這個(gè)問題，單純針對一個(gè)具體項(xiàng)目或具體場景的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通，只要通信接口開放總會(huì)得到解決，真正的技術(shù)難度在于實(shí)現(xiàn)可復(fù)用高效互聯(lián)互通解決方案。本文給出的解決方案是經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證過的，相信隨著IT技術(shù)與OT技術(shù)的不斷深入融合發(fā)展應(yīng)用，業(yè)界會(huì)出現(xiàn)更多的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)互通的高效解決方案。