开放平台通讯技术在智能工厂中的应用探讨

摘  要：当下，“工业4.0”已经成为一个随处可见、家喻户晓的流行术语。而其关键的组成部分则是现代化的智能工厂。智能工厂被设想成一种在未来某个阶段，工厂内制造系统产生的全部数据与各种设备实现完全互连互通。在该设想中，智能工厂通过生成、传输和处理大量的数据，以执行生产各种商品所需的可能任务。其中，基于对象链接和嵌入技术的开放平台通讯技术，即Open Platform Communications（OPC）技术，也因此得到了进一步的使用与发展。所以，探讨OPC技术在智能工厂中的应用不仅是必要的，更是具有一定的经济价值。

关键词：工业4.0;智能工厂;OPC技术

1. 引言

随着时代发展，工业 4.0、物联网 （IOT）、大数据、人工智能 （AI） 、“云计算”和智能工厂等，这些以往陌生的专业术语，在普通报纸、公司网站或科学期刊中已成为普遍存在的流行术语并且代表着许多能够从根本上改变现代社会和工业的概念、工具和方法。虽然“工业4.0”一词是被德国人创造的，用来说明阐述工业部门产品和生产系统的新兴数字化或数字化转型，而美国人也将其定义为“智能制造”。两种方法都包含多项核心技术、方法和趋势，并在近几年中受到了行业和研究界的持续关注。

尽管学术界和业界倾注了越来越多的投入，但围绕工业4.0的研究领域仍然零散不一且参差不齐。但正如一句好话所说的，当我们尝试从不同角度考虑处理同一问题时，事物的本质将变得显而易见。这些角度可能具有一定程度的技术特性，例如思考如何降低制造系统的故障率，或者采用业务管理流程的视角来进行观察、分析、总结。

工业4.0概念的关键承载者就是智能工厂。智能工厂描绘了一个能够完全互联的制造系统，主要通过生成、传输和处理大量的数据，从而在没有人力的情况下运行、执行、生产各种商品所需的所有任务[5]。近年来，很多文章给出各式各样的见解并努力说明工业4.0和智能制造方面的概念，但是探索OPC技术在智能工厂中的具体应用研究却略显不足。因此，本文将从研究背景，应用场景等不同方面做出进一步的阐述与研究。

2. 研究背景

2.1 工业4.0

自18世纪末出现的第一次工业革命，到整个19世纪中叶特别是电气技术生产系统的出现构成了第二次工业革命，人类通过实现大规模的生产制造重塑了各行各业。但如今，制造业却面临着多方面的挑战，例如创新和技术生命周期的缩短，以及以大规模生产为代价的定制产品需求等。此外，新兴工业国家的存在造成了竞争压力全球市场。这类国家的工业企业具有技术吸收能力和呈现为运营成本低的特性，因此也拉动市场逐渐远离发达国家。政府和制造业，特别是德国，正试图通过新的发明创造来确保他们的市场占有率。工业4.0将利用信息技术、通信、自动化等方面的现有进步来形成新的工业时代。其目标是通过产品和服务的创新，创造高附加值的产品，打造一个有能力在全球市场竞争的民族工业部门。

由于工业4.0和智能工厂的出现，传统制造理念也随之改变。智能工厂引入了传统制造业的要素并结合了当下社会生产需求，确保其能在未来保持竞争力。在技术手段快速革新的浪潮下，为了在未来的市场中保持竞争，制造公司应能够及时、经济、高效地生产小批量产品，并且它们应该具有足够的功能性、可扩展性以及与客户和供应商的连接性。为了应对这些挑战，系统将变得更加复杂且难以监控。许多技术也因此如雨后春笋般出现，包括网络物理系统（CPS）、物联网（IOT）、服务互联网（IOS）、大数据、“云计算”等。工业 4.0已成为一种新的工业化概念，利用这些新技术应对上述挑战，而智能工厂则是工业 4.0的核心之一。

2.2 智能工厂

智能工厂的概念对学术界和未来制造业的重要性，从来自不同领域学者们的不可忽视的关注上便可见一斑。通过设置理论边界来描述智能工厂的概念，并使其对业界的从业者具有更加切实的可操作性，是学术研究者们的动力源泉。这也导致了多種概念的出现。事实上，对智能工厂概念提出描述的早期，自动化程度和劳动力短缺方面没有达到当今如此高的水平。例如，早在2008年卢克等人，仅仅是将智能工厂描述为一种制造环境，其中人员和生产过程由基于计算机的智能系统支持，确保无缝、连续的生产流程，从而提高性能和质量[1]。到了2016年，斯塔克等人提出更新的概念，即通过使用来自众多传感器的数据，使各个生产过程所需的所有机器进行自主合作。由此可以看出，随着时代进步与发展，学者们对智能工厂的概念也由自动化连续生产的制造环境向着机器设备互联互通，甚至更高层次演变进化。

对智能工厂包含的基本要素抽丝剥茧后，我们能够发现其共同之处。例如，在某种程度上，智能工厂往往都拥有着配备传感器和执行器的机器或者设备，能够收集、发送、接收、处理数据并执行相应的操作。这些机器相互通信以完成预定的任务，即机器与机器之间，有系统、有组织、有目的配置自身以实现共同的生产目标。正如其他学者已经发现的那样，生产型工厂不再被视为一个单独活动的平面，而是拥有着可被划分成四个不同层次的维度，分别是物理层、数据层、云和智能层以及控制层。

我们将所有机器、整个车间以及实际发生的活动分配给物理层，即数据在该层中产生。数据层则包含了从机器，如传感器到云端的数据传输过程，通过通讯采集软件控制发送或者接收哪些数据，例如数据的类型、种类、速率以及数量等。然后，数据暂时存储在云平台，比如关系型数据库中。在那里，可以进行复杂的分析处理。顶层控制层则进行着全局的监控，在这里，运行着智能工厂的主程序，可以在必要时通过人工干预进行调整。了解当前智能工厂概念至关重要，便于我们对智能工厂子领域的学术进展和未来有前途的研究联系起来。

2.3 OPC UA

OPC统一架构，即OPC UA，是一种相对较新的协议[2]。在工业通信方面有着无与伦比的良好前景，可实现从现场到云端，即从物理层到云和智能层的所有级别的标准化和安全通信[3]。它具有可变性和灵活性，适用范围涵盖了从简单的过程数据采集到复杂的监控、控制和分析。此外，得益于OPC UA协议的明确与开放，开发者与工程师们可对所谓的配套规范与其他标准进行集成和组合。如今，OPC基金会与其他组织之间的合作数量不断增加，这些组织专注于创建各种配套规范。例如，这些配套规范的范围从通用设备描述（用于设备OPCUA）和分析设备模型 （ADI） 到Automation ML（用于OPC UA的AML）中的工厂描述，再到在OPC UA服务器中实施IEC PLC Open编程模型。

由于工业4.0以及智能工厂本身具有的复杂性，因此需要整合来自不同领域、涵盖不同方面的标准或者协议。传统上来说，Modbus和Profinet等工业用通讯协议，旨在被设计在隔离的工厂局域网络中运行，因此几乎很难提供安全功能。然而，由于工业流程控制的日益联网以及愈加严重的网络安全威胁增多，例如伊朗德黑兰核电站遭受“震网”病毒的攻击以及美国石油公司遭受的勒索病毒，就是对较为安全的工业协议迫切需求的最好证明。而满足这一功能需求的方式之一就是OPC UA。

例如，经过德国联邦信息安全办公室进行的安全分析证明，OPC UA的设计一定程度上考虑到安全性[4]。尽管如此，为了保证使用安全依旧需要人为地进行相应配置。因此，当将OPC UA部署到复杂工业环境去时，我们将不得不重点评估它的安全性。显然，关于OPC UA安全性的配置与评估，将是另外一个有待探讨的重要话题。

3.OPC UA技术应用

在工业物联网或工业4.0的趋势下，传统的自动化系统和工业通信系统都在面临着新的挑战，工业企业需要对各部门的生产管理等数据进行统一采集并进行共享。而OPC UA是当前工业自动化中广泛认可的标准之一，用于如从生产车间传感器到中央服务器和云平台的互操作性和数据交换。其应用范围我们将从如下智能工厂中三个常见的OPC UA的应用场景分别进行说明。

3.1过程信息的可视化应用

该场景描述了使用OPC UA技术为一条生产线提供解决方案并展示生产材料如何从机器人传递到工人手上的。由于对人机协作而言，安全性至关重要，因此将OPC UA引入生产线中时，需要以可视化的形式将必要的信息提供给人们。此外，还需要引入摄像系统，对与机器人共同工作时人们的活动安全区域进行监控。所需的被可视化信息，可以是零部组件的位置或状态，例如机器人的实时方位，以及使用报警闪烁框显示的安全区、安全区域的可视化指示等。又比如机器人的货品抓取，可以通过对货架中不同箱子进行可视化处理，然后与相对应的组件信息作对比。该信息的提供可以通过标准 OPC UA组件来实现，例如用于PLC的 OPC UA 服务器。

3.2质量缺陷跟踪系统应用

在此场景中，显示了OPC UA可在生产环境中对复杂信息系统的处理能力。就人工进行质量缺陷追踪而言，既费时费力又容易出错，因为操作员需要通过大量的缺陷列表来查找相应故障，并手动记录这些信息。而类似低效的缺陷查找方法将被如，小程序APP或者带有数据库系统（Data Base Management System）的中央信息系统（Central Information System）所取代。其工作过程如下：首先，系统内的所有通信以及获取信息的组织均基于OPC UA。其次，创建一个连接到数据库的OPC UA服务器以在生产阶段提供和保存必要的信息。同时，在采用平板或者电脑中部署OPC UA 客户端，用于与 OPC UA 服务器进行通信。而这款平板或电脑应用程序连接到条形码扫描仪，以此尽可能简化操作员的信息获取。此外，再使用一套可在普通桌面环境中运行的 OPC UA 客户端，通过与OPC UA服务器共享的多个数据库SQL 查询来跟踪生产信息。

3.3监测与控制

一般而言，OPC UA不仅能用于較高自动化级别的监控和控制，而且也能提高较低自动化级别的通信设备之间的互联性。通过通用接口，OPC UA可以从网络和软件应用程序中提取数据。当然，OPC UA不仅能够进行简单的数据访问，还能安全可靠进行控制以及访问实时报警或者历史数据。下面我们将通过一个示例来描述其工作流程。

首先，在某台Windows服务器部署运行OPC UA 服务器，用来接收来自不同模块或者子系统的多个Web服务信息。在智能工厂中，这些模块或者子系统，大多数都是可编程逻辑器件，如PLC，单片机等。其次，针对基于通信模块的Web服务，OPC UA会对其做出特定加密的操作，并对其信号传输路径做标准化处理。另外，每一个通讯模块或子系统都有着属于自己的web服务，在通讯过程中将返回各自不同的标识字符串。因此，通讯模块和OPC UA服务器之间的Web服务信息，可以避免在正常操作模式下与生产控制单元发生冲突。另外，也可以通过OPC服务器对PLC发出控制指令。使用OPC UA技术的开发方式将使得现有工厂在未来的可扩展性成为可能，而无需对当下的厂内老旧控制系统进行任何大的升级改造，就这一点而言具有显著的经济价值。

4.总结与展望

可以想象在不远的未来，对设备与平台以及信息平台之间的连接而言，OPC技术将变得愈发重要。例如，由于设备数量的快速增长且大量数据的产生，用于物联网设备的开源中间平台Open IOT已被开发出来。Open IOT平台支持广泛的互联网连接对象，并尝试在所谓的云平台中实现“云计算”和“物联网”的融合[6]。而为了实现在未来工厂之间的信号通讯，人们又在研究将Open IOT 与OPC UA协议集成在一起。

当然，凡事总有两面性甚至多面性。我们在享受OPC UA 技术带来的便利同时也要考虑其使用的安全隐患。为了确保通信安全，尽管OPC UA 自带了较高安全级别功能，比如提供了不同的消息安全模式，无安全性、仅完整性或完整性和机密性，以及为加密和签名预定义加密算法的安全策略等，但在实际应用上正确的人工配置才实现较为安全的应用部署[7]。总体而言，虽然 OPC UA提供了强大的安全功能，但正确配置这些安全机制是必不可少的。由此可见，我们依然需要将对OPC的安全性做出相应的评估。

参考文献

[1]Lucke， D.， Constantinescu， C.， Westkämper， 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.

简介：谷恒（1991年11月27—），男，汉族，安徽亳州，硕士研究生，单位：合肥工业大学，研究方向：工程管理