OrangeBOX-面向邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

--為現(xiàn)有工廠升級(jí)提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 宋華振

工業(yè)4.0時(shí)代老工廠怎么辦？

顯然，工業(yè)4.0所謂的技術(shù)都是適合于新建工廠項(xiàng)目！就比如說(shuō)新的控制器都是有標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、OPC UA的軟件接口的，但是，工業(yè)4.0總不能把原有的工廠都給拋棄了吧？那些投資千萬(wàn)、億萬(wàn)的大量工廠原有設(shè)施和設(shè)備仍然在為企業(yè)不斷的賺取利潤(rùn)。

老工廠（Brownfield）

新工廠（Greenfield）

圖1-老工廠與新工廠同時(shí)存在

老工廠存在很多問(wèn)題，影響系統(tǒng)的互聯(lián)：

（1）早期的設(shè)備根本沒(méi)有總線接口，即或是總線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了超過(guò)30年，但是，在過(guò)去的很多年里，總線也并非是標(biāo)配于設(shè)備和產(chǎn)線的；

（2）同家公司的系統(tǒng)也無(wú)法保證其總線的兼容性，包括總線的不同版本、針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的總線類型都會(huì)有差異。

（3）總線之間也欠缺互聯(lián)的統(tǒng)一接口，不僅要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)也要實(shí)現(xiàn)互通與語(yǔ)義互操作，F(xiàn)DT/DTM、DDS、XML腳本都被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)互操作，即使今天統(tǒng)一到OPC UA下也并非是都有實(shí)現(xiàn)。

因此，在工業(yè)4.0/智能制造的現(xiàn)實(shí)推進(jìn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通與語(yǔ)義互操作尚是件很困難的事，更不用說(shuō)不同的行業(yè)所采用的不同信息模型，不同的行業(yè)需要不同的應(yīng)用數(shù)據(jù)和使用不同的數(shù)據(jù)分析模型。

因此，如果今天有人去定義所謂的工業(yè)4.0工廠看來(lái)是有點(diǎn)操之過(guò)急。

OrangeBOX為邊緣計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的解決方案

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT來(lái)解決數(shù)據(jù)采集、傳輸與應(yīng)用，越來(lái)越多的工業(yè)企業(yè)客戶接受“邊緣計(jì)算”（Edge Computing）這一理念，希望通過(guò)邊緣計(jì)算在云與工廠之間建立一個(gè)服務(wù)于工廠本身的應(yīng)用與基礎(chǔ)架構(gòu)，當(dāng)然，它借助于開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)降低其部署成本，但提高響應(yīng)能力與安全性。

我們以圖2來(lái)說(shuō)明Orange Box的角色—Orange Box并非是一個(gè)具體的產(chǎn)品，而是一個(gè)解決方案，它針對(duì)老工廠實(shí)現(xiàn)采用以下幾種方法：

（1）現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有總線，采用直接的I/O物理線路連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，豐富的X20 I/O模塊支撐；

（2）支持總線的，則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的總線控制器來(lái)連接（Modbus、CAN、Profibus等不同的模塊）；

（3）有以太網(wǎng)支持OPC UA可以直接訪問(wèn)，OPC UA本身支持TCP/IP的連接。

圖2-采用OrangeBOX實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的架構(gòu)

Orange Box由一個(gè)控制器和貝加萊mapp技術(shù)預(yù)配置軟件組件mapp所構(gòu)成。控制器可以通過(guò)其I/O通道或現(xiàn)場(chǎng)總線連接從任何機(jī)器中收集操作數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中，mapp會(huì)生成并顯示OEE及其它KPI值，也可以通過(guò)OPC UA與更高層系統(tǒng)共享信息。

OrangeBOX用來(lái)解決哪些問(wèn)題？

Orange Box的目的是從車間獲取與生產(chǎn)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并利用不同的mapp功能塊，例如：

（1）OEE：對(duì)于工廠而言，OEE是最為關(guān)注的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)的幾個(gè)要素?cái)?shù)據(jù)的采集，工廠可以完全關(guān)注到生產(chǎn)的運(yùn)營(yíng)效率指標(biāo)以及如何改善的路徑。

圖3-OEE的計(jì)算

圖3，OEE的計(jì)算包括了可用性、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率、質(zhì)量，共同構(gòu)成OEE的計(jì)算。

（2）能源：監(jiān)測(cè)能源消耗有利于對(duì)成本進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

（3）審計(jì)等功能對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)值進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的透明化，并將評(píng)估好的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口 / 數(shù)據(jù)庫(kù)，尤其是在制藥工業(yè)、食品等需要審計(jì)追蹤功能的行業(yè)。

Orange Box的特點(diǎn)：

（1）易于使用的技術(shù)：任何技術(shù)人員都能輕易操作Orange Box，這是參與Orange Box研發(fā)的專家意見(jiàn)。通過(guò)貝加萊的Mapp技術(shù)，我們把在智能手機(jī)的世界里隨處可見(jiàn)的“App”原理投入到工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)。mapp采用了適用于工業(yè)4.0的模塊化應(yīng)用技術(shù)，在簡(jiǎn)化程序開(kāi)發(fā)復(fù)雜度的同時(shí)大大降低了程序維護(hù)和參數(shù)更改的難度。

圖4-OrangeBox是一個(gè)基于開(kāi)放技術(shù)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)-無(wú)需復(fù)雜的軟件編程

（2）無(wú)需IT專家：通過(guò)Orange Box讓客戶擁有一個(gè)僅需最少資源，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)專家就可即時(shí)評(píng)估及呈現(xiàn)機(jī)器的數(shù)值，可以使得生產(chǎn)過(guò)程透明化的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)事件的集中管理，并有準(zhǔn)確的時(shí)間戳。所有與生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的事件，如計(jì)劃內(nèi)/外停機(jī)，以及生產(chǎn)與非生產(chǎn)時(shí)間都會(huì)以報(bào)告呈現(xiàn)，客戶可以隨時(shí)查看和下載整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

（3）支持現(xiàn)有總線：Orange Box支持與已有系統(tǒng)的通訊，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行接口升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Orange Box具有很強(qiáng)的功能擴(kuò)展性，例如在生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展出機(jī)器使用效率，能源評(píng)估等其他功能，在輔助功能，如用戶管理方面，可以擴(kuò)展使用RFID射頻識(shí)別技術(shù)代替原有的用戶名密碼登錄模式。

（4）數(shù)據(jù)獨(dú)立性：Orange Box適用于各種生產(chǎn)工位，既適用于所謂的棕色地帶 (老舊設(shè)備) 也適用于綠色地帶 (今天才到的新設(shè)備)。Orange Box可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或者通過(guò)各種各樣的互聯(lián)方式例如I/O’s、 ISO on TCP、OPC UA獲得生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。這里的前提是，收集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)要與機(jī)器的系統(tǒng)生產(chǎn)商、類型及服役年數(shù)無(wú)關(guān)。

OrangeBOX所投入的技術(shù)

（1）mapp 技術(shù)：這是貝加萊預(yù)編程的自動(dòng)化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速的軟件應(yīng)用構(gòu)建，通過(guò)采用Software Reuse和軟件組件技術(shù)所開(kāi)發(fā)，節(jié)省2/3的研發(fā)時(shí)間。

（2）mappVIEW：通過(guò)Web技術(shù)來(lái)提供機(jī)器的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，OPC UA作為共享數(shù)據(jù)，使得HMI畫面與程序之間獨(dú)立，無(wú)需在程序和畫面之間頻繁的改動(dòng)。

（3）生產(chǎn)統(tǒng)計(jì) ：根據(jù)運(yùn)營(yíng)管理（Operation Management）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中所需的參數(shù)的顯示，包括通過(guò)提供MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)報(bào)表、趨勢(shì)等功能。

（4）整體設(shè)備效率Overall Equipment Effectiveness (OEE)：OEE是在不同的行業(yè)有不同的計(jì)算方法，在Orange Box中可以對(duì)其進(jìn)行定義。

Orange Box長(zhǎng)什么樣子？

Orange Box從設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)采用了現(xiàn)有硬件和軟件，用于實(shí)現(xiàn)IIoT的應(yīng)用而進(jìn)行了整體重組設(shè)計(jì)，本身并不需要開(kāi)發(fā)新的硬件和軟件，而是利用了貝加萊自身軟件的模塊化進(jìn)行了重組，當(dāng)然，這需要結(jié)合工廠需求的實(shí)際來(lái)進(jìn)行應(yīng)用架構(gòu)的組織。

圖5-Orange Box實(shí)現(xiàn)工廠邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)采集與處理功能

適用于較大的產(chǎn)線的Orange Box可以采用Panel PC 2100加現(xiàn)場(chǎng)的X20總線模塊和I/O構(gòu)成，通過(guò)OPC UA可以被Cloud、MES/ERP來(lái)訪問(wèn)，包括通過(guò)無(wú)線的網(wǎng)關(guān)與工廠的數(shù)據(jù)中心的連接能力。

Orange Box的軟件—專為產(chǎn)線集成設(shè)計(jì)

圖6-用戶管理功能

用戶管理主要解決不同用戶所扮演的角色，并記錄登錄過(guò)程和分配權(quán)限進(jìn)行不同的查看和操作。

圖7-生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)功能

圖7為生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)功能的主面板，包括時(shí)間線、班次統(tǒng)計(jì)、任務(wù)統(tǒng)計(jì)、采用儀表板的狀態(tài)顯示功能，以及工藝參數(shù)、報(bào)警等需要確認(rèn)的任務(wù)。

圖8-配方管理功能

可以基于XML的任務(wù)下達(dá)至產(chǎn)線的控制器，而XML為通用的腳本可以為各種控制器所讀取并執(zhí)行，在圖8所示界面中顯示操作。

圖9-班次管理

圖9是班次管理，諸如三班兩倒、四班三倒等設(shè)置，開(kāi)機(jī)、計(jì)劃停機(jī)等，這些參數(shù)都會(huì)用于進(jìn)行OEE的班次統(tǒng)計(jì)。

圖10-產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)顯示-數(shù)據(jù)記錄器

對(duì)于產(chǎn)線的數(shù)據(jù)可以采用圖10進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，包括生產(chǎn)任務(wù)完成率、速度損失、廢棄與重加工、空閑、計(jì)劃停機(jī)、未知原因停機(jī)、計(jì)劃外停機(jī)、良品、不良品等都可以納入此界面進(jìn)行顯示。

為大學(xué)教學(xué)的OrangeBOX DEMO系統(tǒng)

除了為產(chǎn)業(yè)配置的OrangeBOX，為大學(xué)的教學(xué)也配置了一個(gè)精簡(jiǎn)的OrangeBOX DEMO

圖11-小型的OrangeBOX教學(xué)演示系統(tǒng)

此DEMO上的可視鍵盤可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中的狀態(tài)模擬，而右邊的總線控制器和I/O可以仿真現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，HMI上則定義了產(chǎn)線的運(yùn)營(yíng)管理參數(shù)的顯示、操作等。

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關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個(gè)總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)的一個(gè)業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個(gè)產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動(dòng)化、運(yùn)動(dòng)控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡(jiǎn)化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。

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