數(shù)字化工廠實(shí)踐與OPC UA應(yīng)用

前言

　　隨著國(guó)家制造2025戰(zhàn)略的推進(jìn)，智能制造成為工業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。智能制造內(nèi)涵比較廣，是制造業(yè)發(fā)展的遠(yuǎn)期目標(biāo)。作為一個(gè)發(fā)展階段，數(shù)字化工廠更容易實(shí)施，更接地氣，因而也成為國(guó)內(nèi)制造企業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)。數(shù)字化工廠的概念最早由德國(guó)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(gè)環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、無(wú)紙化、虛擬化。

　　OPC UA是OPC國(guó)際基金會(huì)在2008年推出的新一代實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，它旨在實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到企業(yè)管理各個(gè)層級(jí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。OPC UA以其跨平臺(tái)、跨網(wǎng)絡(luò)、安全性和強(qiáng)大的建模能力，被公認(rèn)為適用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，逐漸為眾多自動(dòng)化設(shè)備廠商和軟件廠商所采納。OPC UA已經(jīng)被IEC標(biāo)準(zhǔn)采納，我們國(guó)家相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在制訂之中。

　　OPC UA以其開(kāi)放性和強(qiáng)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(lái)。可以說(shuō)，OPC UA生來(lái)就適合作為構(gòu)建數(shù)字化工廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　北京艾克信控科技有限公司是國(guó)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(guò)一系列項(xiàng)目的成功實(shí)踐，我們充分認(rèn)識(shí)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(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)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(diǎn)

　　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(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、生命周期管理（PLM），以及物流自動(dòng)化（WMS/WCS）。

　　數(shù)字化工廠的特點(diǎn)概括講就是三個(gè)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(guò)MES變成指令下達(dá)到自動(dòng)化系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)；生產(chǎn)的結(jié)果從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，通過(guò)MES，反饋給ERP。水平集成貫串各個(gè)工序，能夠貫通原材料經(jīng)過(guò)各個(gè)工序加工最終變成成品的整個(gè)過(guò)程。端到端的集成把市場(chǎng)需求經(jīng)過(guò)工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)變成客戶需要的產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)以上三個(gè)集成，企業(yè)制造水平就達(dá)到了一個(gè)比較理想的階段。

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

數(shù)字化工廠實(shí)踐一：產(chǎn)線管理系統(tǒng)（LMS）

　　某包裝機(jī)械股份有限公司，是中國(guó)液體（飲料）包裝機(jī)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(dòng)化的同時(shí)，基于艾克信控的績(jī)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(jī)效分析、工單和計(jì)劃、自動(dòng)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(shí)掌握生產(chǎn)狀況，了解各種生產(chǎn)指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并不斷改進(jìn)。

實(shí)踐1：產(chǎn)線管理系統(tǒng)（LMS）

　　產(chǎn)線管理系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的實(shí)時(shí)庫(kù)從產(chǎn)線設(shè)備自動(dòng)采集生產(chǎn)線的停機(jī)、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(jī)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(tái)）等，以及故障設(shè)備和原因的排列圖，發(fā)現(xiàn)提高和改進(jìn)的機(jī)會(huì)。系統(tǒng)還能夠自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各種物料消耗、能源消耗，從而為成本核算提供準(zhǔn)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(dá)到各個(gè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)根據(jù)工單自動(dòng)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(jì)劃并準(zhǔn)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(diǎn)檢、巡檢過(guò)程以及故障期間的檢修過(guò)程，并能依據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)提示保養(yǎng)和維修，從而提高設(shè)備綜合管理水平。

　　這個(gè)案例利用OPC UA實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化和虛擬化。

數(shù)字化工廠實(shí)踐二：支撐定制化生產(chǎn)平臺(tái)的MES

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

實(shí)踐2：定制化生產(chǎn)C2F

　　在本項(xiàng)目中，依托艾克信控的AicMES產(chǎn)品，將消費(fèi)者的“個(gè)性化要求”、“個(gè)性化信息”從電商銷售平臺(tái)傳遞到生產(chǎn)平臺(tái)，再傳遞到物流發(fā)運(yùn)平臺(tái)，實(shí)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(zhǔn)、快速響應(yīng)。

　　AicMES通過(guò)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(guò)和DCS等自動(dòng)化系統(tǒng)緊密集成，把客戶特殊要求變成自動(dòng)化生產(chǎn)的指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)切換，加快生產(chǎn)節(jié)奏。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全程的物料識(shí)別和跟蹤，減少工序出錯(cuò)。

　　本項(xiàng)目除了利用OPC UA實(shí)現(xiàn)MES和現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)之間的集成之外，還利用OPC UA實(shí)現(xiàn)各種MES客戶端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，包括桌面終端、現(xiàn)場(chǎng)平板電腦，以及現(xiàn)場(chǎng)大屏幕等。

數(shù)字化工廠實(shí)踐三：全廠/車間自動(dòng)化物流調(diào)度（WCS）

　　物流自動(dòng)化在數(shù)字化工廠中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。利用自動(dòng)化物流，可以實(shí)現(xiàn)工序之間、設(shè)備之間物料的自動(dòng)銜接，把以前需要人工完成的物料搬運(yùn)、上下料，通過(guò)機(jī)器人、AGV小車、立庫(kù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。筆者認(rèn)為，MES和物流自動(dòng)化緊密結(jié)合，可以在設(shè)備自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高整個(gè)車間、整個(gè)工廠生產(chǎn)自動(dòng)化水平，顯著地減人增效，是企業(yè)制造升級(jí)的重要方向。

實(shí)踐3：全車間自動(dòng)化物流調(diào)度（WCS）

　　某設(shè)備制造商以某裝配車間為試點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字化車間改造。新上自動(dòng)化立庫(kù)、AGV小車等設(shè)備，調(diào)度軟件采用AicWCS。WCS實(shí)現(xiàn)零部件自動(dòng)入庫(kù)，根據(jù)從ERP接收的生產(chǎn)工單自動(dòng)從立體庫(kù)調(diào)出零部件，由人工撿配后，剩余貨品退回庫(kù)內(nèi)。并在撿配完成后，自動(dòng)調(diào)度AGV小車，把料箱運(yùn)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(duì)各種輸送設(shè)備進(jìn)行建模和實(shí)時(shí)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(jí)編程語(yǔ)言，能夠有效地簡(jiǎn)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(dòng)化立體庫(kù)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(kāi)放環(huán)境AGV調(diào)度）中。筆者認(rèn)為，隨著全廠/車間自動(dòng)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(huì)有著廣闊的應(yīng)用前景。

OPC UA在數(shù)字化工廠的作用

　　通過(guò)以上實(shí)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€(gè)工廠設(shè)備進(jìn)行建模，并把各種和生產(chǎn)相關(guān)的實(shí)時(shí)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(jiān)實(shí)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(tái)、跨語(yǔ)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?jiǎn)化復(fù)雜算法：OPC UA提供了強(qiáng)大的建模能力，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)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(jiǎn)化復(fù)雜算法（如調(diào)度等）。

　　實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，提供了完善的安全體系。可以說(shuō)，OPC UA已經(jīng)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了充分的技術(shù)準(zhǔn)備。

文章來(lái)源：北京艾克信控科技有限公司