目前市場(chǎng)的聲音的確比較多，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造的各種討論，但是，對(duì)OPC UA有不同層次的認(rèn)識(shí)，從純?nèi)徊涣私?，到了解技術(shù)視角，缺乏對(duì)其全局的了解，并且也有贊譽(yù)和異議，這都是合理的，本文僅從OPC UA解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地實(shí)現(xiàn)的視角全景觀察，當(dāng)然有不專業(yè)的地方希望讀者多有指正。
一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的價(jià)值創(chuàng)造
今天，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在成為熱門的話題，然而必須以服務(wù)于制造的價(jià)值提升為目標(biāo)，否則將失去其推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義，對(duì)于制造業(yè)，我們必須回歸到制造的本質(zhì)，即對(duì)材料進(jìn)行的物理與化學(xué)的加工過程，這對(duì)應(yīng)于離散與流程工業(yè)的不同領(lǐng)域。
無論在何時(shí)，制造業(yè)必須以提供消費(fèi)者“更高品質(zhì)的產(chǎn)品”、“更低的成本”、“快速交付”能力，這些在過去、今天與未來都是不變的需求。
圖1-制造業(yè)的價(jià)值
精益生產(chǎn)是衡量工廠運(yùn)營(yíng)能力的關(guān)鍵指標(biāo)，在今天，隨著個(gè)性化的需求日益強(qiáng)烈，制造業(yè)要繼續(xù)在原有基礎(chǔ)上挖掘潛力，實(shí)現(xiàn)更為個(gè)性化的生產(chǎn)。在過去上百年里，精益、自動(dòng)化技術(shù)、管理運(yùn)營(yíng)方法不斷的提升使得制造似乎已經(jīng)達(dá)到了一種極限水平，而事實(shí)上，這里仍然有巨大的潛力可以挖掘，回顧百年的工業(yè)革命歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)信息正在變得成為更為具有“強(qiáng)大杠桿”作用的力量。
二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角色扮演
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)仍然要解決為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)圖1的價(jià)值提升，而這些必須通過一系列的技術(shù)融合與協(xié)同來實(shí)現(xiàn)。
2.1連接的角色
通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器、設(shè)備、機(jī)器、產(chǎn)線的連接，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，對(duì)于獨(dú)立的機(jī)器控制，傳統(tǒng)的自動(dòng)化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了最佳的控制，例如：實(shí)現(xiàn)高速高精度的機(jī)床控制、高速的印刷等，然而，在整個(gè)產(chǎn)線連接中仍然有大量的潛力可以挖掘，因此，連接是第一個(gè)首要解決的問題。
圖2反映了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（包括其實(shí)現(xiàn)所采用的邊緣計(jì)算與云計(jì)算技術(shù)）的層級(jí)需求，從連接到數(shù)據(jù)聚合、分析與優(yōu)化的全過程。
圖2-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體連接層級(jí)
2.2在數(shù)據(jù)連接后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要解決的問題包括以下的信息潛力發(fā)掘
（1）.尋找最佳的機(jī)器間協(xié)同，這些協(xié)作包括在時(shí)間上的最佳匹配，避免因?yàn)榈却?、不同步的過程而損耗了機(jī)器的能耗、使用效率，使得資產(chǎn)無法發(fā)揮最大的價(jià)值。
（2）.通過動(dòng)態(tài)的響應(yīng)變化來尋找最優(yōu)的控制，傳統(tǒng)的PID往往是以“安全值”設(shè)定靜態(tài)的控制目標(biāo)，這并非是最優(yōu)值，而通過設(shè)備協(xié)同來在更高級(jí)的動(dòng)態(tài)協(xié)同，根據(jù)變化，讓機(jī)器來適應(yīng)生產(chǎn)變化，包括負(fù)載端、 其它設(shè)備的狀態(tài)、工藝變化，以挖掘設(shè)備的最大效率。
（3）.智能化，盡管很多任務(wù)如優(yōu)化、策略在機(jī)理模型已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，但，當(dāng)出現(xiàn)更為全局的非線性區(qū)域時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)等智能算法將會(huì)進(jìn)一步來為生產(chǎn)系統(tǒng)提供
在這個(gè)維度，我們以垂直方向進(jìn)行了數(shù)據(jù)的連接與集成，按照自動(dòng)化、信息化、智能化的維度來不斷優(yōu)化效率。
2.3全流程的數(shù)字化
如果我們更進(jìn)一步來看待整個(gè)制造業(yè)的效率提升，我們將需要在數(shù)字化設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)進(jìn)行橫向的連接，進(jìn)一步發(fā)揮全局的效率提升，這方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)更為全局的連接。特別喜歡IIC的技術(shù)工作組與架構(gòu)任務(wù)組聯(lián)席主席林詩萬博士曾經(jīng)就整個(gè)數(shù)字化架構(gòu)進(jìn)行了全景的分析的架構(gòu)圖，如圖3，數(shù)字化連接以及數(shù)字孿生將帶來以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：
圖3-制造業(yè)數(shù)字主線與數(shù)字孿生
（1）.數(shù)字孿生
數(shù)字孿生是在傳統(tǒng)“建模仿真”基礎(chǔ)上的擴(kuò)展，它將設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維都納入整體的數(shù)字孿生體中，在整個(gè)數(shù)字孿生體中進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)同，通過數(shù)字化環(huán)境中的虛擬仿真、虛擬調(diào)試、虛擬運(yùn)維來實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)中更為動(dòng)態(tài)的優(yōu)化、更為經(jīng)濟(jì)的工藝切換、也更為便利的測(cè)試與驗(yàn)證，這將使得整體的生產(chǎn)制造成本下降，并降低工藝切換時(shí)間，以應(yīng)對(duì)個(gè)性化生產(chǎn)中的挑戰(zhàn)。
（2）.資產(chǎn)管理
資產(chǎn)在整個(gè)制造中成為了可精確量化、計(jì)量的對(duì)象，而且流程可以在數(shù)字化環(huán)境中進(jìn)行建模仿真，也可以進(jìn)行有效的管理，在全局而非局部最優(yōu)。
（3）.預(yù)測(cè)性維護(hù)
在維護(hù)階段，來自數(shù)字化的建模與運(yùn)營(yíng)中的數(shù)據(jù)采集，共同為維護(hù)提供了透明的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，以及分析的基礎(chǔ)，如采用機(jī)器學(xué)習(xí)來對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中原來被忽視的信息進(jìn)行挖掘，分析質(zhì)量、成本、設(shè)備狀態(tài)等之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最佳的生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)，包括降低故障帶來的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。
三、工業(yè)互聯(lián)中的障礙
在描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值及其實(shí)現(xiàn)在于連接時(shí)，我們將聚焦第一步連接，而圖4則是來自世界經(jīng)濟(jì)論壇就全球企業(yè)的調(diào)研，這個(gè)數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于制造業(yè)而言，“缺乏互操作的標(biāo)準(zhǔn)”成為了最大的障礙，當(dāng)然，這與事實(shí)也是一致的，盡管世界經(jīng)濟(jì)論壇這份調(diào)研數(shù)據(jù)是2014年的，但與今天的現(xiàn)實(shí)并無二致。
圖4-世界經(jīng)濟(jì)論壇關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)障礙的調(diào)研
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在著非常多的總線包括基于以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)總線解決了工業(yè)實(shí)時(shí)通信問題但也存在互操作的障礙。
四、OPC UA如何為智能工廠提供支撐
盡管有各種實(shí)現(xiàn)互操作層面的標(biāo)準(zhǔn)，如DDS、FDT/DTM、MQTT、oneM2M等，然而，相對(duì)于OPC UA而言，卻各有缺點(diǎn)，因?yàn)槎鄠€(gè)方面的原因使得OPC UA成為了語義互操作的共性聚焦，包括ABB、B&R、SIEMENS、Honeywell等自動(dòng)化以及Microsoft、華為、CISCO等ICT廠商也將聚焦放在了OPC UA規(guī)范上，在IIC、德國(guó)工業(yè)4.0以及中國(guó)的智能制造體系中，均將OPC UA納入了互操作的規(guī)范。
圖5-OPC UA通信、信息模型與安全連
圖5中，我們可以看到，OPC UA采用了C/S和Pub/Sub兩種連接機(jī)制，以適應(yīng)各種既有和未來的連接，對(duì)于傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)，采用C/S能夠確保兼容性，而Pub/Sub的機(jī)制則更適合于邊緣、云架構(gòu)的連接，并對(duì)原有的MQTT/AMQP機(jī)制進(jìn)行了集成。關(guān)于DDS等與OPC UA的對(duì)比后面會(huì)專門起一份文章說明。
4.2OPC UA解決信息模型的問題
信息模型是整個(gè)OPC UA也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵，因?yàn)闊o論對(duì)于控制協(xié)同、數(shù)據(jù)擬合、機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)額是非常必要的，否則，將會(huì)需要大量的編程與測(cè)試，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在連接中缺乏經(jīng)濟(jì)性，而信息模型包括了基礎(chǔ)的、以及適應(yīng)于各個(gè)垂直行業(yè)的伴隨信息模型，簡(jiǎn)單如下：
--AutoID，用于解決資產(chǎn)的數(shù)字化輸入，對(duì)RFID、QR碼等的數(shù)據(jù)接口，確保產(chǎn)線上的設(shè)備、在制品都可以被便利的集成。
--機(jī)器視覺與機(jī)器人，在最新的OPC UA集，由VDMA協(xié)同各個(gè)機(jī)器人與視覺廠商共同開發(fā)了這一越來越重要的伴隨模型，因?yàn)榻裉斓闹悄墚a(chǎn)線，機(jī)器人需要更多“眼睛”來識(shí)別在制品，對(duì)其位置、幾何尺寸等進(jìn)行識(shí)別，以便進(jìn)行各種撿取、加工動(dòng)作。
--EUROMAP，包括了機(jī)器人與注塑機(jī)、注塑機(jī)與MES、以及各種輔機(jī)之間的連接，如圖6所示。
圖6-EUROMAP連接注塑機(jī)與MES系統(tǒng)
--PackML，包裝機(jī)與MES、與機(jī)器人等的集成；
--MTConnect，機(jī)床與機(jī)床間、機(jī)床與信息系統(tǒng)間的連接。
4.3OPC UA解決安全連接問題
在世界經(jīng)濟(jì)論壇的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)障礙中，第二個(gè)關(guān)鍵因素是信息安全，這一點(diǎn)，OPC UA也開發(fā)了安全的數(shù)據(jù)連接、授權(quán)、驗(yàn)證機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)可以被安全的連接，如圖7所示。
圖7-OPC UA的安全傳輸機(jī)制
五、OPC UA構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全局連接
5.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全局連接
在圖8中，我們可以看到OPC UA可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)維度的連接
（1）.橫向集成：從設(shè)備到設(shè)備間、數(shù)字化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、制造與輔助的電力供應(yīng)、原材料系統(tǒng)的上下游連接。
（2）.縱向集成：從傳感器到控制器、工廠MES/SCADA再到全局的云端數(shù)據(jù)連接。
圖8-基于OPC UA的全集成
5.2OPC UA與數(shù)字孿生
在數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)中，控制類設(shè)計(jì)軟件如ATLAB/Simulink可以為數(shù)字化模型提供OPC UA的接口，那么直接仿真的模型可以構(gòu)建一個(gè)基于OPC UA的信息傳遞規(guī)范，可以通過OPC UA接口與不同的控制器提供統(tǒng)一規(guī)范的連接，這樣就可以讓數(shù)字化的軟件與控制器進(jìn)行快速的模型交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的上下行信息交互。
圖9顯示了一個(gè)基于OPC UA的連接，如B&R的Automation Studio可以與MATLAB/Simulink通過OPC UA進(jìn)行信息交互—當(dāng)然，這同樣可以與其它第三方的控制器實(shí)現(xiàn)這樣的交互，對(duì)單個(gè)的控制器而言也許它的價(jià)值在于高效的信息建模，但對(duì)一個(gè)工廠涵蓋多家控制器而言，則意味著快速的跨平臺(tái)的連接。
圖9-基于OPC UA的數(shù)字孿生信息交互
在其它的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件如PTC、Solidworks均已提供了OPC UA的接口，并且可以與多種控制器連接，這樣就會(huì)實(shí)現(xiàn)機(jī)理模型、學(xué)習(xí)模型與控制器的交互，而無需為每個(gè)不同的連接建立復(fù)雜的交互接口。
通過數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)虛擬交付、虛擬調(diào)試等任務(wù)，連接數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化運(yùn)營(yíng)以及數(shù)字化維護(hù)。
5.3機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源
機(jī)器學(xué)習(xí)被認(rèn)為是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中解決非線性、聚合、關(guān)聯(lián)性分析的有效途徑，基于各種數(shù)學(xué)算法與模型來實(shí)現(xiàn)對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析，但是，對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)而言，其必須實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的條件：
（1）.結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)：如果數(shù)據(jù)缺乏結(jié)構(gòu)性，會(huì)產(chǎn)生與學(xué)習(xí)算法模型的無法對(duì)接問題，或者會(huì)產(chǎn)生大量需要進(jìn)行手動(dòng)的映射變量的工作，而OPC UA提供了結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)，并且，在OPC UA的方法中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一些預(yù)處理，如積分運(yùn)算等，另外，基于OPC UA的SoA特征也使得各種數(shù)據(jù)應(yīng)用可以便利的訪問現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)。
（2）.有效數(shù)據(jù)：如果采樣大量無效數(shù)據(jù)，那么對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)而言同樣是沒有意義的，OPC UA的各種行業(yè)伴隨模型充分體現(xiàn)了其在工業(yè)領(lǐng)域的深厚積累，例如注塑機(jī)信息模型就包括了注塑機(jī)的模腔溫度、壓力、鎖模力、螺桿進(jìn)給速度等各種與注塑機(jī)質(zhì)量、運(yùn)行相關(guān)的參數(shù)，這些已經(jīng)被驗(yàn)證完整反映注塑機(jī)加工過程的信息模型為各種機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)分析平臺(tái)提供了快速構(gòu)建整個(gè)過程的數(shù)據(jù)。
如圖10所示，在機(jī)器學(xué)習(xí)之前，通過OPC UA訪問機(jī)器參數(shù)可以快速獲取結(jié)構(gòu)性、長(zhǎng)期行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累的信息模型，這些信息模型在過去一直用于有效的機(jī)器控制模型，而又同樣可以為學(xué)習(xí)模型提供數(shù)據(jù)交互。
圖10-機(jī)器學(xué)習(xí)通過OPC UA獲得有效的結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)
以上，針對(duì)了OPC UA在各個(gè)環(huán)節(jié)的角色扮演進(jìn)行了闡述，而圖11則是一個(gè)全景的連接，包括了橫向在制造業(yè)的工廠以及上下游供應(yīng)環(huán)節(jié)的連接，在制造工廠內(nèi)部機(jī)器與機(jī)器間的連接，在垂直方向?qū)崿F(xiàn)從傳感器到云端的整體連接。
圖11-基于OPC UA的全連接
通過OPC UA，我們?yōu)楣I(yè)互聯(lián)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，并且，它的信息模型為數(shù)字孿生、數(shù)據(jù)分析與學(xué)習(xí)提供了更為高效的數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用的前提，核心的貢獻(xiàn)在于它將大幅降低開發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證、維護(hù)、升級(jí)的工程成本。
是的，如果沒有成本的降低、效率的提升，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就無法發(fā)揮其價(jià)值，也無法為制造業(yè)升級(jí)帶來經(jīng)濟(jì)性，這就是OPC UA何以重要，成為全球IT與OT廠商關(guān)注焦點(diǎn)的原因。
對(duì)于OPC UA是否能扮演這么復(fù)雜的角色的確有些人覺得瘋狂，也有人質(zhì)疑，甚至反對(duì)，對(duì)于這個(gè)問題可以探討，我們可以從它與FDT/DTM、DDS、MQTT等協(xié)議規(guī)范的對(duì)比進(jìn)行說明，后續(xù)進(jìn)行一些解讀，望關(guān)注。
