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智能制造环境中工业通信技术的规范和实现途径

作者简介

彭瑜(1938-),男,湖南长沙人,教授级高级工程师,毕业于清华大学热能工程系,现任上海工业自动化仪表研究院教授级高工、顾问,PLCopen中国组织名誉主席,中国自动化学会仪表和装置专委会名誉常务委员,PowerLink中国用户协会理事长,工信部智能制造标准化体系建设工作组专家,国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。迄今为止,已经为中国工业自动化技术的发展服务了50多年,涉及流程工业、离散制造业等领域的检测、控制、生产制造、执行管理等多个方面。自1993年起,因对工业技术的突出贡献获得国务院特殊津贴和相关证书。

传统的网络结构秉承工业自动化的分层递阶架构(如图1所示),基本上是多级的分层递阶系统,采用以太网交换器构成树形结构。这种静态结构的设计能满足客户端-服务器计算方式占主要地位的应用,但面对今天企业对信息的处理和存贮要求变成动态的时候,特别是在工业物联网和大数据迅速发展的强烈趋势下,这种网络结构就完全不适应了。

显而易见,实现工业4.0、智慧工厂和智能制造,必须建立在业务应用扁平化的基础上,即控制级、流程控制级、生产管理级和企业管理级的各类应用,必须根据要求直接而且实时动态地建立链接(如图2所示)。这就需要建立一类包括实时控制和及时监控在内的、强有力的联网技术和规范的基础。这类联网技术和规范可以在一定程度上继承原有的联网技术和规范,但更重要的是一定要突破原有技术和规范的局限和明显不能满足实现工业4.0、智慧工厂和智能制造的架构和思维。

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图1 工业自动化的分层递阶架构

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图2 智能制造系统需要分散型的通信服务

新的网络结构必须具有以下特点:流量控制方式必须是动态的;信息技术必须是“客制化”的,按用户要求配置智能提升云服务的能力;应对大数据的挑战,意味着网络需要更多的带宽。

按照智慧制造系统的功能要求,智能功能可以划分为分散智能和集中智能两类(如图3所示)。这两类智能对通信的要求是不同的。从时长响应看:

分散智能:在1微秒至几个毫秒;

集中智能:在几个毫秒至10秒。

从应用场合上看:

分散智能:现场、控制、机械装备;

集中智能:机械装备、工段或生产线、工厂……

也即,分散智能要求实时通信,需要保证功能安全和信息安全,主要应用于状态监控和实时控制;集中智能要求信息安全,采用OPC UA,集中智能主要应用于性能优化、大数据分析……

1 PLCopen和OPC UA的合作解决方案

OPC UA提供一个通用、开放、独立于硬件和软件、跨操作系统、跨产业、具有信息安全功能的可靠通信网络。可以监控可组态的通信超时和链接中断,也可进行加密通信。为此,它采用了可根据应用要求进行网络规模剪裁的客户端/服务器架构。客户端发起数据请求,服务器端响应,并通过一个信息安全的通道传输数据(如图4所示)。

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图3 分散智能和集中智能

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图4 OPC UA提供客户端/服务端的通信架构

经过多年来不懈地在工业界推广OPC UA,特别是智能制造、工业4.0对通信的要求颠覆了以往的工业通信体系,OPC UA的独特优势使它脱颖而出,得到了广泛的发展和支持。在技术市场上出现了方便其开发运用的软件包(如德国伦茨公司采用德国Softing公司的OPC工具包,把原有的OPC经典方法和OPC UA融合起来)。微软公司也在今年公布了.NET标准栈支持OPC UA,以扩展其满足工业物联网IIoT需求的信息安全特性,以及满足“工业4.0平台”的要求。在.NET标准栈中集聚OPC UA的众多优点,如跨平台的应用、一次开发API到处可用的可移植策略等。这样新的.NET标准栈在微软公司的开发和优化下,成为一个完整的支持有嵌入式应用到云端应用的独立的基础架构平台。在2017年的汉诺威工业博览会上宣布了OPCUA技术的开源实现,运用开源软件和私有软件的托管平台GitHub,成功实现了OPC UA技术跨所有市场和平台的应用。

值得注意的是,为了使OPC UA能够满足M2M的实时通信,近年来正在把广泛应用于现场总线和工业以太网实时通信的发布方/订阅方的架构引入。同时也在开发符合IEEE时长敏感网络TSN规范的OPC UA TSN。这是OPC基金会计划用OPC UA取代工业以太网的又一举措。

随着OPC UA越来越普遍的运用,它在现代跨工业行业和工业装备间进行通信的极端重要性得到充分肯定。因而它的信息安全也引起了权威机构的关注。最近德国联邦信息安全办公室BSI公布了OPC UA的信息安全深度分析报告,指出它在软件功能上注重信息安全的设计,不存在系统性的信息安全漏洞。图5所示为OPC UA的信息安全架构。

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图5 OPC UA的信息安全架构

2 建立开放标准的通信生态系统

多年来PLCopen一直坚持与开放标准化组织合作建立一种开放标准的生态系统。譬如与OPC基金会合作开发IEC 61131-3的信息模型(2010.5发布),IEC 61131-3的OPC UA Client FB客户端功能块规范(2015.3发布),IEC61131-3的OPC UA Server FB服务端功能块规范(2015.3发布)。其实在正式发布这些规范之前,类似的方法和技术已经成功应用于包装行业建立PackML系列规范(由美国ISA学会属下的OMAC专业委员会开发),大大简化了包装机械与上位生产管理系统的通信。

ISA95是由美国ISA学会开发的企业信息集成系列标准,现在已被IEC和ISO接受为国际标准(IEC/ISO 62264)。而B2MML是这个系列标准的XML实现。B2MML包括一系列用W3C的XML语言XML格式规范。美国的ISA学会又与OPC基金会合作开发基于B2MML接口标准的OPC UA/ISA 95伙伴规范。这样就可以解决过去控制工程师使用OPC UA对象进行控制层、MES层和ERP层之间的通信碰到的难题。譬如在处理关键数据的存取时,如何在制造运营管理(MOM)系统的高速要求与企业信息系统的慢速而又随机存取的要求之间构筑一种顺畅通达的桥梁,成为可能并可行。

智能制造和工业4.0的要求集成进入工程工具和语义的扩展,OPC UA的解决方案是:OPC基金会已经与像PLCopen、BACnet、FDI这样的组织成功进行了合作。现在又扩展了与其它组织的合作,如ISA95、MES-DACH、MDIS(石油天然气工业组织)。一个新的合作已经启动,通过与AutomationML的合作,有助于在工程平台工具上优化其可互操作性。

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图6 运用OPC UA构筑智能制造的扁平化通信

如图6所示,运用PLCopen的OPC UA功能块,使由传智能感器、控制器与企业管理系统和生产调度执行系统之间的通信,与云端的通信,与互联网通信在可互操作性方面大为简化和改善。这些标准提升了如今广泛运用于计算技术行业的SOA面向服务的架构的应用范围;同时也推进了一度落后于计算技术和软件的自动化系统技术,快速跟上IT技术的进展。

3 实现OPC UA通信的模块化路径和方法

PLCopen国际组织与OPC UA基金会合作开发的面向IEC 61131-3的系列OPC UA通信功能块规范,为实现上述的各类通信提供了模块化软件工具的基础。规范中定义了许多像UA_Connect、UA_Read、UA_Write、UA_ReadList、UA_WriteList或UA_MethodCall的功能块,在执行通信操作时只要按照一定的顺序调用这些功能块,在通信操作结束后再清除或关闭。如果我们需要将数据从PLC读入MES/HMI,或者通过功能块将数据从PLC送入云端,都可以如图7所示调用OPC UA模块实施通信的过程。即准通信备:连接调用UA_Connect、指定连接地址调用UA_NamespaceGetIndexList、进行接通处理调用UA_NodeGetHandleList;通信处理:按照读写的要求多次调用UA_ReadList/UA_WriteList;通信结束:结束处理调用UA_NodeReleaseHandleList、最后断开连接调用UA_Disconnect。

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图7 调用UA功能块执行通信的顺序

如果要执行监控通信,可以执行如图8所示的顺序。

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图8 用OPC UA功能块执行监控通信的顺序

执行监控通信的顺序如下:建立连接,前面的3个功能块与图7的建立连接相同,但要加一个订阅建立功能块调用UA_Subscription Create;监控处理:调用监控功能块UA_Monitored Item Operate List或UA_SubscriptionProcessed,如需增加监控参数,可以调用UA_MonitoredItemAddList,结束监控过程先调用去除监控功能块UA_MonitoreItemRemoveList;接着进入清除监控:删除订阅调用功能块UA_SubscriptionDelet,释放相关节点列表调用功能块UA_NodeReleaseHandleList,最后断开连接。

运用OPC UA块实施浏览,可以按照图9的顺序进行相关功能块调用。

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图9 实施浏览通信的OPC UA功能块顺序

4 全新的网络规范—软件定义联网

为了适应智能制造和智慧工厂的需求,当前工业网络正面临由现场总线向工业以太网转型、由单一功能的通信总线向多功能通信演进、由缺乏网络管理向智能网管发展的趋势。

看起来能够综合各方面要求的解决方案,非软件定义工业网络莫属。也即,利用软件定义网络的基本理念和实施规范来开发软件定义工业网络,是工业网络技术的创新突破的方向。

为了改善网络的管理和自动化,需要建立一种全新的、具有以下属性的网络结构:

对多个供应商提供的网络设备进行集中管理和控制;

网络大小规模便于各种应用剪裁,与供应商无关;

用一种公共的API应用程序编程接口,对底层联网的细节从其精心的设计安排中抽象出来,提供给系统和应用;

通过提供新的网络性能和服务达到创新,而无需对单个网络设备进行组态,或等待供应商的改进。

为建立这种新网络结构, 开放联网基金会ONF(Open Networking Foundation),提出软件定义联网SDN(Software-Defined Networking),并发布了控制数据层接口的规范OpenFlow,实现了将联网设备与网络服务解耦(如图10所示)。

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图10 软件定义联网的网络架构

美国CISCO正在发展的一种软件定义工业网络的架构(如图11所示),图中SDN控制器中的标准工程服务通过OnePK、OpenFlow、CLI或SNMP等中间件转换为右下部的各种IT资产的运行数据;SDN控制器中的OT服务通过各种工业通信网络(如CIP、Ethernet/IP和Profinet )与图中右中部的各种OT资产相连接;图中右上部的OT网络管理中心与SDN控制器中的OT应用程序的链接,则是通过CIP、RESTFUL API等进行。

在SDN中,运用被称之为表达状态转移(Representation State Transfer)的互联网技术RESTFUL API,作为支持系统和应用之间标准接口的架构。这样便可允许控制设备的供应商独立编写应用程序,同时又能在SDN中协调运行。控制工程师则可以运用这个软件来定义其控制应用(甚至把也包括定义网络通信的端口)。

说的更清楚一些,也即在软件定义联网的设计中,控制工程师可以像在编制PLC程序时控制某台驱动器运行或停止,并发出以什么速度运转的指令那样,让SDN控制器发出信息指示交换器和路由器的那个端口开启、数据如何流动等。

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图11 CISCO开发的软件定义工业联网架构

SDN控制器控制应用程序的基本原理如下:以太网交换器内装有SDN应用程序接口(API),这样SDN控制器就能够通过数据来控制应用程序(譬如SDN控制器发送对PLC和其它工业设备运行的组态数据,让以太网交换器打开PLCI/O数据通往数据面板端口)。当然,也可以通过SDN控制器发送相关数据,让两个端口之间提供反馈信息,为网络和相互连接的各种设备建立一种控制回路的潜在机会。图12中SDN控制器通过北API向PLC组态平台发布命令,让它经由工业通信协议把PLC的I/O数据通过工业通信网往发往数据面板。与此同时,SDN控制器还经过南API通知以太网交换器打开相应端口。

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图12 用SDN控制器的应用程序控制网络节点间的通信

5 结语

传统网络结构的局限和缺陷阻碍智能制造、智慧工厂和工业4.0的实施。需要建立一种除实时控制和功能安全控制仍然安排在现场层之外,其他所有的通信服务都是扁平化的通信结构。在选择满足这样的网络结构的解决方案时,首先要考虑的是保留和利用近十几、二十年来企业和工厂的通信资产和软件资产。从现有的发展状况来看,软件定义工业联网SDN和OPC UA这两种解决方案是较为理想的。软件定义联网特别适合把企业和工厂的IT数据中心和OT数据中心融合为OT/IT的运营管理系统。但根据目前技术发展的成熟度来看,软件定义工业网络的开发进展和规模,远远不及OPCUA。OPC UA应该是近期已获得足够实践效果,长期也能广泛运用的通信技术。在今后工业通信方向上基于IP的通信绝对是占主要地位,因此OPC UA优势明显。特别是在垂直集成方面,由于OPC基金会与各种工业行业组织的合作十分有效,其不同层次间的语义可互操作性的发展潜力可期。不过,传统的现场总线和工业以太网在现场实时控制和功能安全控制的作用是不可替代的。完全可以运用OPC UA和软件定义工业联网SDN来扩展其满足智慧制造、工业4.0所要求的通信功能。

摘自《2017今日自动化技术应用在中国》

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