開放平臺通訊技術在智能工廠中的應用探討

摘? 要：當下，“工業4.0”已經成為一個隨處可見、家喻戶曉的流行術語。而其關鍵的組成部分則是現代化的智能工廠。智能工廠被設想成一種在未來某個階段，工廠內制造系統產生的全部數據與各種設備實現完全互連互通。在該設想中，智能工廠通過生成、傳輸和處理大量的數據，以執行生產各種商品所需的可能任務。其中，基于對象鏈接和嵌入技術的開放平臺通訊技術，即Open Platform Communications（OPC）技術，也因此得到了進一步的使用與發展。所以，探討OPC技術在智能工廠中的應用不僅是必要的，更是具有一定的經濟價值。

關鍵詞：工業4.0;智能工廠;OPC技術

1. 引言

隨著時代發展，工業 4.0、物聯網 （IOT）、大數據、人工智能 （AI） 、“云計算”和智能工廠等，這些以往陌生的專業術語，在普通報紙、公司網站或科學期刊中已成為普遍存在的流行術語并且代表著許多能夠從根本上改變現代社會和工業的概念、工具和方法。雖然“工業4.0”一詞是被德國人創造的，用來說明闡述工業部門產品和生產系統的新興數字化或數字化轉型，而美國人也將其定義為“智能制造”。兩種方法都包含多項核心技術、方法和趨勢，并在近幾年中受到了行業和研究界的持續關注。

盡管學術界和業界傾注了越來越多的投入，但圍繞工業4.0的研究領域仍然零散不一且參差不齊。但正如一句好話所說的，當我們嘗試從不同角度考慮處理同一問題時，事物的本質將變得顯而易見。這些角度可能具有一定程度的技術特性，例如思考如何降低制造系統的故障率，或者采用業務管理流程的視角來進行觀察、分析、總結。

工業4.0概念的關鍵承載者就是智能工廠。智能工廠描繪了一個能夠完全互聯的制造系統，主要通過生成、傳輸和處理大量的數據，從而在沒有人力的情況下運行、執行、生產各種商品所需的所有任務[5]。近年來，很多文章給出各式各樣的見解并努力說明工業4.0和智能制造方面的概念，但是探索OPC技術在智能工廠中的具體應用研究卻略顯不足。因此，本文將從研究背景，應用場景等不同方面做出進一步的闡述與研究。

2. 研究背景

2.1 工業4.0

自18世紀末出現的第一次工業革命，到整個19世紀中葉特別是電氣技術生產系統的出現構成了第二次工業革命，人類通過實現大規模的生產制造重塑了各行各業。但如今，制造業卻面臨著多方面的挑戰，例如創新和技術生命周期的縮短，以及以大規模生產為代價的定制產品需求等。此外，新興工業國家的存在造成了競爭壓力全球市場。這類國家的工業企業具有技術吸收能力和呈現為運營成本低的特性，因此也拉動市場逐漸遠離發達國家。政府和制造業，特別是德國，正試圖通過新的發明創造來確保他們的市場占有率。工業4.0將利用信息技術、通信、自動化等方面的現有進步來形成新的工業時代。其目標是通過產品和服務的創新，創造高附加值的產品，打造一個有能力在全球市場競爭的民族工業部門。

由于工業4.0和智能工廠的出現，傳統制造理念也隨之改變。智能工廠引入了傳統制造業的要素并結合了當下社會生產需求，確保其能在未來保持競爭力。在技術手段快速革新的浪潮下，為了在未來的市場中保持競爭，制造公司應能夠及時、經濟、高效地生產小批量產品，并且它們應該具有足夠的功能性、可擴展性以及與客戶和供應商的連接性。為了應對這些挑戰，系統將變得更加復雜且難以監控。許多技術也因此如雨后春筍般出現，包括網絡物理系統（CPS）、物聯網（IOT）、服務互聯網（IOS）、大數據、“云計算”等。工業 4.0已成為一種新的工業化概念，利用這些新技術應對上述挑戰，而智能工廠則是工業 4.0的核心之一。

2.2 智能工廠

智能工廠的概念對學術界和未來制造業的重要性，從來自不同領域學者們的不可忽視的關注上便可見一斑。通過設置理論邊界來描述智能工廠的概念，并使其對業界的從業者具有更加切實的可操作性，是學術研究者們的動力源泉。這也導致了多種概念的出現。事實上，對智能工廠概念提出描述的早期，自動化程度和勞動力短缺方面沒有達到當今如此高的水平。例如，早在2008年盧克等人，僅僅是將智能工廠描述為一種制造環境，其中人員和生產過程由基于計算機的智能系統支持，確保無縫、連續的生產流程，從而提高性能和質量[1]。到了2016年，斯塔克等人提出更新的概念，即通過使用來自眾多傳感器的數據，使各個生產過程所需的所有機器進行自主合作。由此可以看出，隨著時代進步與發展，學者們對智能工廠的概念也由自動化連續生產的制造環境向著機器設備互聯互通，甚至更高層次演變進化。

對智能工廠包含的基本要素抽絲剝繭后，我們能夠發現其共同之處。例如，在某種程度上，智能工廠往往都擁有著配備傳感器和執行器的機器或者設備，能夠收集、發送、接收、處理數據并執行相應的操作。這些機器相互通信以完成預定的任務，即機器與機器之間，有系統、有組織、有目的配置自身以實現共同的生產目標。正如其他學者已經發現的那樣，生產型工廠不再被視為一個單獨活動的平面，而是擁有著可被劃分成四個不同層次的維度，分別是物理層、數據層、云和智能層以及控制層。

我們將所有機器、整個車間以及實際發生的活動分配給物理層，即數據在該層中產生。數據層則包含了從機器，如傳感器到云端的數據傳輸過程，通過通訊采集軟件控制發送或者接收哪些數據，例如數據的類型、種類、速率以及數量等。然后，數據暫時存儲在云平臺，比如關系型數據庫中。在那里，可以進行復雜的分析處理。頂層控制層則進行著全局的監控，在這里，運行著智能工廠的主程序，可以在必要時通過人工干預進行調整。了解當前智能工廠概念至關重要，便于我們對智能工廠子領域的學術進展和未來有前途的研究聯系起來。

2.3 OPC UA

OPC統一架構，即OPC UA，是一種相對較新的協議[2]。在工業通信方面有著無與倫比的良好前景，可實現從現場到云端，即從物理層到云和智能層的所有級別的標準化和安全通信[3]。它具有可變性和靈活性，適用范圍涵蓋了從簡單的過程數據采集到復雜的監控、控制和分析。此外，得益于OPC UA協議的明確與開放，開發者與工程師們可對所謂的配套規范與其他標準進行集成和組合。如今，OPC基金會與其他組織之間的合作數量不斷增加，這些組織專注于創建各種配套規范。例如，這些配套規范的范圍從通用設備描述（用于設備OPCUA）和分析設備模型 （ADI） 到Automation ML（用于OPC UA的AML）中的工廠描述，再到在OPC UA服務器中實施IEC PLC Open編程模型。

由于工業4.0以及智能工廠本身具有的復雜性，因此需要整合來自不同領域、涵蓋不同方面的標準或者協議。傳統上來說，Modbus和Profinet等工業用通訊協議，旨在被設計在隔離的工廠局域網絡中運行，因此幾乎很難提供安全功能。然而，由于工業流程控制的日益聯網以及愈加嚴重的網絡安全威脅增多，例如伊朗德黑蘭核電站遭受“震網”病毒的攻擊以及美國石油公司遭受的勒索病毒，就是對較為安全的工業協議迫切需求的最好證明。而滿足這一功能需求的方式之一就是OPC UA。

例如，經過德國聯邦信息安全辦公室進行的安全分析證明，OPC UA的設計一定程度上考慮到安全性[4]。盡管如此，為了保證使用安全依舊需要人為地進行相應配置。因此，當將OPC UA部署到復雜工業環境去時，我們將不得不重點評估它的安全性。顯然，關于OPC UA安全性的配置與評估，將是另外一個有待探討的重要話題。

3.OPC UA技術應用

在工業物聯網或工業4.0的趨勢下，傳統的自動化系統和工業通信系統都在面臨著新的挑戰，工業企業需要對各部門的生產管理等數據進行統一采集并進行共享。而OPC UA是當前工業自動化中廣泛認可的標準之一，用于如從生產車間傳感器到中央服務器和云平臺的互操作性和數據交換。其應用范圍我們將從如下智能工廠中三個常見的OPC UA的應用場景分別進行說明。

3.1過程信息的可視化應用

該場景描述了使用OPC UA技術為一條生產線提供解決方案并展示生產材料如何從機器人傳遞到工人手上的。由于對人機協作而言，安全性至關重要，因此將OPC UA引入生產線中時，需要以可視化的形式將必要的信息提供給人們。此外，還需要引入攝像系統，對與機器人共同工作時人們的活動安全區域進行監控。所需的被可視化信息，可以是零部組件的位置或狀態，例如機器人的實時方位，以及使用報警閃爍框顯示的安全區、安全區域的可視化指示等。又比如機器人的貨品抓取，可以通過對貨架中不同箱子進行可視化處理，然后與相對應的組件信息作對比。該信息的提供可以通過標準 OPC UA組件來實現，例如用于PLC的 OPC UA 服務器。

3.2質量缺陷跟蹤系統應用

在此場景中，顯示了OPC UA可在生產環境中對復雜信息系統的處理能力。就人工進行質量缺陷追蹤而言，既費時費力又容易出錯，因為操作員需要通過大量的缺陷列表來查找相應故障，并手動記錄這些信息。而類似低效的缺陷查找方法將被如，小程序APP或者帶有數據庫系統（Data Base Management System）的中央信息系統（Central Information System）所取代。其工作過程如下：首先，系統內的所有通信以及獲取信息的組織均基于OPC UA。其次，創建一個連接到數據庫的OPC UA服務器以在生產階段提供和保存必要的信息。同時，在采用平板或者電腦中部署OPC UA 客戶端，用于與 OPC UA 服務器進行通信。而這款平板或電腦應用程序連接到條形碼掃描儀，以此盡可能簡化操作員的信息獲取。此外，再使用一套可在普通桌面環境中運行的 OPC UA 客戶端，通過與OPC UA服務器共享的多個數據庫SQL 查詢來跟蹤生產信息。

3.3監測與控制

一般而言，OPC UA不僅能用于較高自動化級別的監控和控制，而且也能提高較低自動化級別的通信設備之間的互聯性。通過通用接口，OPC UA可以從網絡和軟件應用程序中提取數據。當然，OPC UA不僅能夠進行簡單的數據訪問，還能安全可靠進行控制以及訪問實時報警或者歷史數據。下面我們將通過一個示例來描述其工作流程。

首先，在某臺Windows服務器部署運行OPC UA 服務器，用來接收來自不同模塊或者子系統的多個Web服務信息。在智能工廠中，這些模塊或者子系統，大多數都是可編程邏輯器件，如PLC，單片機等。其次，針對基于通信模塊的Web服務，OPC UA會對其做出特定加密的操作，并對其信號傳輸路徑做標準化處理。另外，每一個通訊模塊或子系統都有著屬于自己的web服務，在通訊過程中將返回各自不同的標識字符串。因此，通訊模塊和OPC UA服務器之間的Web服務信息，可以避免在正常操作模式下與生產控制單元發生沖突。另外，也可以通過OPC服務器對PLC發出控制指令。使用OPC UA技術的開發方式將使得現有工廠在未來的可擴展性成為可能，而無需對當下的廠內老舊控制系統進行任何大的升級改造，就這一點而言具有顯著的經濟價值。

4.總結與展望

可以想象在不遠的未來，對設備與平臺以及信息平臺之間的連接而言，OPC技術將變得愈發重要。例如，由于設備數量的快速增長且大量數據的產生，用于物聯網設備的開源中間平臺Open IOT已被開發出來。Open IOT平臺支持廣泛的互聯網連接對象，并嘗試在所謂的云平臺中實現“云計算”和“物聯網”的融合[6]。而為了實現在未來工廠之間的信號通訊，人們又在研究將Open IOT 與OPC UA協議集成在一起。

當然，凡事總有兩面性甚至多面性。我們在享受OPC UA 技術帶來的便利同時也要考慮其使用的安全隱患。為了確保通信安全，盡管OPC UA 自帶了較高安全級別功能，比如提供了不同的消息安全模式，無安全性、僅完整性或完整性和機密性，以及為加密和簽名預定義加密算法的安全策略等，但在實際應用上正確的人工配置才實現較為安全的應用部署[7]。總體而言，雖然 OPC UA提供了強大的安全功能，但正確配置這些安全機制是必不可少的。由此可見，我們依然需要將對OPC的安全性做出相應的評估。

參考文獻

[1]Lucke， D.， Constantinescu， C.， Westk?mper， E.， 2008. Smart factory - a step towards the next generation of manufacturing

[2]OPC Foundation， “OPC Unified Architecture Specification – Part 1： Overview and Concepts，” Version 1.04， 2017.

[3]OPC UA， IEC 62541， standard series.

[4] Federal Office for Inform. Security， “OPC UA Security Analysis，” 2017.

[5]Lukas Budde， Thomas Friedli.”The smart factory as a key construct of industry 4.0： A systematic literature review，” 2019.

[6] Open IOT platform @ ONLINE， https：//github.com/OpenIotOrg/openiot

[7] OPC Foundation， “OPC Unified Architecture Specification – Part 2： Security Model，” Version 1.04， 2017.

簡介：谷恒（1991年11月27—），男，漢族，安徽亳州，碩士研究生，單位：合肥工業大學，研究方向：工程管理