前言

　　隨著國家制造2025戰(zhàn)略的推進，智能制造成為工業(yè)領域關注的焦點。智能制造內(nèi)涵比較廣，是制造業(yè)發(fā)展的遠期目標。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。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)通信標準，它旨在實現(xiàn)從現(xiàn)場設備到企業(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、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)的通信標準，逐漸為眾多自動化設備廠商和軟件廠商所采納。OPC UA已經(jīng)被IEC標準采納，我們國家相關的標準也在制訂之中。

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

　　北京艾克信控科技有限公司是國內(nèi)最早把OPC UA技術應用到數(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)的結果從現(xiàn)場設備，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合，可以在設備自動化的基礎上，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)、設備管理等功能，讓生產(chǎn)管理人員能能夠實時掌握生產(chǎn)狀況，了解各種生產(chǎn)指標，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)線設備自動采集生產(chǎn)線的停機、產(chǎn)量、質量、物料和能源消耗等數(shù)據(jù)。在此基礎上，提供各種績效分析和KPI，如設備整體效率OEE、設備利用率、六大損失、MTTR/MTBF（整線、單臺）等，以及故障設備和原因的排列圖，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，把設備的工藝設定值下達到各個設備，實現(xiàn)根據(jù)工單自動換產(chǎn)。

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

　　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)集成不僅僅是設備數(shù)據(jù)，還包括物料數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)和質量數(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。

　　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/車間自動化物流調度（WCS）

　　物流自動化在數(shù)字化工廠中應用越來越廣泛。利用自動化物流，可以實現(xiàn)工序之間、設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合，可以在設備自動化的基礎上，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度（WCS）

　　某設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小車等設備，調度軟件采用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，自動調度AGV小車，把料箱運輸?shù)窖b配工位。

本案例的調度軟件，利用OPC UA的建模能力對各種輸送設備進行建模和實時數(shù)據(jù)映射。調度算法則利用面向對象的思想和C#高級編程語言，能夠有效地簡化原本復雜的調度算法。

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

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，能夠對整個工廠設備進行建模，并把各種和生產(chǎn)相關的實時數(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。

　　貫串設備層到管理層的統(tǒng)一數(shù)據(jù)顯示：OPC UA能夠跨平臺、跨語言，能夠應用在各種異構系統(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。

　　利用面向對象思想簡化復雜算法：OPC UA提供了強大的建模能力，能夠對現(xiàn)場設備進行建模，在此基礎上，可以把面向對象的編程思想應用到控制領域，從而有效地簡化復雜算法（如調度等）。

　　實現(xiàn)對云端應用的支持：OPCUA底層可以基于TCP或者HTTP/HTTPS，能夠跨網(wǎng)絡，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)應用進行了充分的技術準備。

文章來源：北京艾克信控科技有限公司