前言

　　隨著國家制造2025戰(zhàn)略的推進，智能制造成為工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點。智能制造內(nèi)涵比較廣，是制造業(yè)發(fā)展的遠期目標(biāo)。作為一個發(fā)展階段，數(shù)字化工廠更容易實施，更接地氣，因而也成為國內(nèi)制造企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實目標(biāo)。數(shù)字化工廠的概念最早由德國西門子公司提出，一般而言，它是指從產(chǎn)品研發(fā)、工藝、制造、質(zhì)量和物流等各個環(huán)節(jié)都實現(xiàn)了數(shù)字化、無紙化、虛擬化。

　　OPC UA是OPC國際基金會在2008年推出的新一代實時數(shù)據(jù)通信標(biāo)準，它旨在實現(xiàn)從現(xiàn)場設(shè)備到企業(yè)管理各個層級的實時數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。OPC UA以其跨平臺、跨網(wǎng)絡(luò)、安全性和強大的建模能力，被公認為適用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的通信標(biāo)準，逐漸為眾多自動化設(shè)備廠商和軟件廠商所采納。OPC UA已經(jīng)被IEC標(biāo)準采納，我們國家相關(guān)的標(biāo)準也在制訂之中。

　　OPC UA以其開放性和強大的建模能力，不僅能像傳統(tǒng)SCADA那樣采集設(shè)備的數(shù)據(jù)，也能把物料、工單、質(zhì)量等和生產(chǎn)相關(guān)的所有數(shù)據(jù)集成起來。可以說，OPC UA生來就適合作為構(gòu)建數(shù)字化工廠的實時數(shù)據(jù)通信標(biāo)準。

　　北京艾克信控科技有限公司是國內(nèi)最早把OPC UA技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化工廠中的軟件企業(yè)之一，通過一系列項目的成功實踐，我們充分認識到OPC UA在構(gòu)建數(shù)字化工廠中的重要作用。

　　本文利用幾個實例來說明OPC UA在數(shù)字化工廠中的應(yīng)用。

數(shù)字化工廠的組成和特點

　　數(shù)字化工廠一般都需要一些典型系統(tǒng)支撐，包括：現(xiàn)場自動化設(shè)備、企業(yè)資源計劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生命周期管理（PLM），以及物流自動化（WMS/WCS）。

　　數(shù)字化工廠的特點概括講就是三個集成，即垂直集成、水平集成和端到端集成。垂直集成是指客戶訂單從ERP，通過MES變成指令下達到自動化系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)；生產(chǎn)的結(jié)果從現(xiàn)場設(shè)備，通過MES，反饋給ERP。水平集成貫串各個工序，能夠貫通原材料經(jīng)過各個工序加工最終變成成品的整個過程。端到端的集成把市場需求經(jīng)過工藝設(shè)計、生產(chǎn)變成客戶需要的產(chǎn)品。實現(xiàn)以上三個集成，企業(yè)制造水平就達到了一個比較理想的階段。

　　值得一提的是，MES和物流自動化的緊密結(jié)合，可以在設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，進一步提高整個車間、整個工廠生產(chǎn)自動化水平，顯著地減人增效，是當(dāng)前企業(yè)制造升級的一個重要方向。

數(shù)字化工廠實踐一：產(chǎn)線管理系統(tǒng)（LMS）

　　某包裝機械股份有限公司，是中國液體（飲料）包裝機械的龍頭企業(yè)。在給飲料企業(yè)提供灌裝生產(chǎn)線設(shè)備和自動化的同時，基于艾克信控的績效分析軟件AicPPA，提供產(chǎn)線管理系統(tǒng)（LMS），為客戶提供生產(chǎn)監(jiān)控、績效分析、工單和計劃、自動換產(chǎn)、設(shè)備管理等功能，讓生產(chǎn)管理人員能能夠?qū)崟r掌握生產(chǎn)狀況，了解各種生產(chǎn)指標(biāo)，及時發(fā)現(xiàn)問題，并不斷改進。

實踐1：產(chǎn)線管理系統(tǒng)（LMS）

　　產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過內(nèi)置的實時庫從產(chǎn)線設(shè)備自動采集生產(chǎn)線的停機、產(chǎn)量、質(zhì)量、物料和能源消耗等數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，提供各種績效分析和KPI，如設(shè)備整體效率OEE、設(shè)備利用率、六大損失、MTTR/MTBF（整線、單臺）等，以及故障設(shè)備和原因的排列圖，發(fā)現(xiàn)提高和改進的機會。系統(tǒng)還能夠自動統(tǒng)計各種物料消耗、能源消耗，從而為成本核算提供準確的數(shù)據(jù)支持。

　　LMS可以根據(jù)工單中的產(chǎn)品規(guī)格，把設(shè)備的工藝設(shè)定值下達到各個設(shè)備，實現(xiàn)根據(jù)工單自動換產(chǎn)。

　　利用LMS的設(shè)備管理模塊，設(shè)備管理人員能更有效地制定設(shè)備檢修計劃并準備備品備件，能夠全程跟蹤和記錄在設(shè)備的日常設(shè)備點檢、巡檢過程以及故障期間的檢修過程，并能依據(jù)設(shè)備運行參數(shù)自動提示保養(yǎng)和維修，從而提高設(shè)備綜合管理水平。

　　這個案例利用OPC UA實現(xiàn)了工廠建模，以及數(shù)據(jù)集成。需要指出的是，這里的數(shù)據(jù)集成不僅僅是設(shè)備數(shù)據(jù)，還包括物料數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)等。也就是利用OPC UA的通信和建模能力實現(xiàn)數(shù)字化和虛擬化。

數(shù)字化工廠實踐二：支撐定制化生產(chǎn)平臺的MES

　　某寵物食品集團，是中國最大的寵物零食生產(chǎn)商和出口商。為了滿足國內(nèi)客戶對寵物食品個性化要求，集團打造了電商定制化生產(chǎn)平臺。此平臺包括電商系統(tǒng)，制造管理系統(tǒng)MES，生產(chǎn)自動化系統(tǒng)DCS，物流發(fā)運則直接利用某第三方物流平臺。

實踐2：定制化生產(chǎn)C2F

　　在本項目中，依托艾克信控的AicMES產(chǎn)品，將消費者的“個性化要求”、“個性化信息”從電商銷售平臺傳遞到生產(chǎn)平臺，再傳遞到物流發(fā)運平臺，實現(xiàn)信息流、物流、以及資金流的統(tǒng)一、同步，保證客戶訂單的精準、快速響應(yīng)。

　　AicMES通過訂單歸并和排產(chǎn)，把小批量盡量合并成大批量，減少生產(chǎn)切換，優(yōu)化生產(chǎn)，降低成本。通過和DCS等自動化系統(tǒng)緊密集成，把客戶特殊要求變成自動化生產(chǎn)的指令，實現(xiàn)自動生產(chǎn)切換，加快生產(chǎn)節(jié)奏。同時，實現(xiàn)全程的物料識別和跟蹤，減少工序出錯。

　　本項目除了利用OPC UA實現(xiàn)MES和現(xiàn)場控制系統(tǒng)之間的集成之外，還利用OPC UA實現(xiàn)各種MES客戶端的實時數(shù)據(jù)顯示，包括桌面終端、現(xiàn)場平板電腦，以及現(xiàn)場大屏幕等。

數(shù)字化工廠實踐三：全廠/車間自動化物流調(diào)度（WCS）

　　物流自動化在數(shù)字化工廠中應(yīng)用越來越廣泛。利用自動化物流，可以實現(xiàn)工序之間、設(shè)備之間物料的自動銜接，把以前需要人工完成的物料搬運、上下料，通過機器人、AGV小車、立庫實現(xiàn)自動化。筆者認為，MES和物流自動化緊密結(jié)合，可以在設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，進一步提高整個車間、整個工廠生產(chǎn)自動化水平，顯著地減人增效，是企業(yè)制造升級的重要方向。

實踐3：全車間自動化物流調(diào)度（WCS）

　　某設(shè)備制造商以某裝配車間為試點，進行數(shù)字化車間改造。新上自動化立庫、AGV小車等設(shè)備，調(diào)度軟件采用AicWCS。WCS實現(xiàn)零部件自動入庫，根據(jù)從ERP接收的生產(chǎn)工單自動從立體庫調(diào)出零部件，由人工撿配后，剩余貨品退回庫內(nèi)。并在撿配完成后，自動調(diào)度AGV小車，把料箱運輸?shù)窖b配工位。

本案例的調(diào)度軟件，利用OPC UA的建模能力對各種輸送設(shè)備進行建模和實時數(shù)據(jù)映射。調(diào)度算法則利用面向?qū)ο蟮乃枷牒虲#高級編程語言，能夠有效地簡化原本復(fù)雜的調(diào)度算法。

　　采用這種方式，AicWCS已經(jīng)成功應(yīng)用在自動化立體庫調(diào)度、分揀調(diào)度（包括大型分揀中心調(diào)度）、AGV小車調(diào)度（包括大規(guī)模開放環(huán)境AGV調(diào)度）中。筆者認為，隨著全廠/車間自動化物流的普及，物流調(diào)度的復(fù)雜程度將顯著增加，這種調(diào)度編程方式也將會有著廣闊的應(yīng)用前景。

OPC UA在數(shù)字化工廠的作用

　　通過以上實踐，可以總結(jié)出OPC UA在數(shù)字化工廠能夠發(fā)揮如下作用：

　　數(shù)字化工廠建模和數(shù)據(jù)集成：利用OPC UA的通信能力和建模能力，能夠?qū)φ麄€工廠設(shè)備進行建模，并把各種和生產(chǎn)相關(guān)的實時數(shù)據(jù)集成到OPC UA的地址空間中，從而為數(shù)字化工廠打下堅實基礎(chǔ)。

　　貫串設(shè)備層到管理層的統(tǒng)一數(shù)據(jù)顯示：OPC UA能夠跨平臺、跨語言，能夠應(yīng)用在各種異構(gòu)系統(tǒng)中，包括從底層控制器，HMI/SCADA，制造執(zhí)行系統(tǒng)，直到企業(yè)管理層。

　　利用面向?qū)ο笏枷牒喕瘡?fù)雜算法：OPC UA提供了強大的建模能力，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進行建模，在此基礎(chǔ)上，可以把面向?qū)ο蟮木幊趟枷霊?yīng)用到控制領(lǐng)域，從而有效地簡化復(fù)雜算法（如調(diào)度等）。

　　實現(xiàn)對云端應(yīng)用的支持：OPCUA底層可以基于TCP或者HTTP/HTTPS，能夠跨網(wǎng)絡(luò)，方便地在公網(wǎng)上傳輸，同時，提供了完善的安全體系?？梢哉f，OPC UA已經(jīng)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進行了充分的技術(shù)準備。

文章來源：北京艾克信控科技有限公司