贝加莱工业自动化（中国）有限公司 宋华振

作者简介

宋华振（1972-），男，工程师，现任贝加莱工业自动化（中国）有限公司市场部经理，多年从事工业自动化系统的开发和实施工作，现主要从事市场营销策划和市场分析工作。

摘要：实现多方向的跨界互联是智能制造基础网络的主要需求，而构建集成通信网络则是实现智能制造的一项关键因素。本文主要讨论了基于POWERLINK、OPC UA和OpenSAFETY的智能集成基础通信网络平台的一些技术问题。

关键词：智能制造；基础网络；集成通信架构；POWERLINK；OPC UA；OpenSAFETY

Abstract: To realize the polydirectional transboundary interconnection is the major demands of the foundational networks for intelligent manufacturing, and the construction of integrated communication networks is a key factor of realizing the intelligent manufacturing. A number of the technical problems of foundational communication network platform for intelligent integration based on POWERLINK, OPC- UA and openSAFETY are discussed in this paper.

Key words: Intelligent manufacturing; Foundational network; Integrated communication architecture; POWERLINK; OPC UA; OpenSAFETY

1　引言

当前，随着《中国制造2025》和德国“ 工业4.0”第四次工业革命策略的实施和深入进展，为其提供支撑的自动化、信息化和智能化相关技术，如人工智能、机器人、3D打印、物联网、大数据和云计算等也得到快速发展和推广应用。多方向的跨界互联是智能制造基础网络的主要特征，而合理地构建智能制造的集成通信网络也就成为了实现智能制造的一项关键因素。以下主要论述关于智能制造基础网络平台的一些技术问题。

2　智能集成时代的网络需求

无论我们讨论“ 工业4.0”、《中国制造2025》还是物联网，都必须面对如何实现跨界互联的问题，这里所讨论的各种领域的互联中包含了服务物联网（IoS）、工业物联网（IoT）、智能工厂、CPS集成等多个话题，在图1智能工厂智能互联定义中，可以看到，在未来的智能制造中，这些将牵涉到多个方向的互联问题。

图1 智能工厂智能互联的定义[1]

为了实现各种互联，对网络的需求包括了互操作性、可视化、实时、模块化等，在表1中，我们可以对其进行简要地描述，这也体现了智能时代网络的复杂性需求。

表1 “工业4.0”所关联的网络架构[2]

这对智能制造的集成网络提出了新的需求，包括了多个层面的需求，如图2所示，可以将网络分为互联、互通、互操作等多个层次，结合表1，这个网络需要解决实时性、互操作性、模块化设计等功能。

图2 智能集成网络需求层次[3]

综上所述，智能集成时代的网络需要具备：

（1）实时性，满足机器内部的互联；

（2）互通性，满足不同供应商设备的互通；

（3）互操作，满足针对异构网络中的设备集成；

（4）模块化，实现智能集成时代对于分布式控制架构设计的需求。

如何为智能集成时代的工业寻找最佳通信解决方案？Ethernet POWERLINK标准化组织EPSG（Ethernet POWERLINK Standardization Group）在这方面做出了卓越的贡献，提供了完整的工厂集成通信互联互通与互操作的集成方案。

3　为智能集成提供的基础网络

EPSG致力于为工业通信提供全方位的解决方案，在2001年即推出了这一最为前沿的实时通信技术，面对今天更为广泛的互联需求，EPSG组织持续创新，推出针对OPC UA集成的POWERLINK扩展协议栈，并将在未来提出TSN集成的网络架构。也即，POWERLINK技术组织提供针对互联、互通、语义互操作、安全的全方位集成解决方案。

3.1　POWERLINK——实时通信基础网络互联

它具有如下特点：

（1）高性能低抖动网络通信，POWERLINK支持100Mbps的传输，小于1us的抖动；

（2）主从完全开源的实时通信技术；

（3）冗余技术，支持各种冗余（环网、双网……）；

（4）确保信息安全；

（5）具有TCP/IP数据传输能力；

（6）IEC和国家的推荐性标准；

……

3.2　POWERLINK产品互通

借助于XML的设备描述文件——XML Device Description，不同的POWERLINK产品之间可以实现信息互通，并可以由相同的主站予以控制，由于采用CANopen的应用层协议，POWERLINK可以以较为简便的方式实现集成（如图3所示），在运动控制领域用DS402可以直接实现第三方运动控制编程。

（1）XDD文件集成第三方设备；

（2）CANopen DS402运动控制；

（3）纳入FDT/DTM协议中的配置网络；

（4）OPC UA组织与EPSG签署备忘录，共同研发新的通信技术。

图3 通过XDD实现POWERLINK多方产品集成

3.3　OPC UA实现语义互操作

3.3.1　OPC UA实现智能集成基础信息模型

OPC UA 已经被IIC和“工业4.0”组织确定为未来平台间交互的通信架构，并成为IEC62541标准，成为智能制造基础信息模型、水平与垂直信息集成的基本架构，可实现语义互操作。

（1）与POWERLINK技术融合；

（2）实现跨网络数据交互；

（3）机器——机器数据交互；

（4）机器——MES/ERP系统的数据互联；

（5）垂直行业信息模型（OMAC/PackML，FDT/DTM，EuroMAP等）；

……

图4 OPC UA信息模型[4]

3.3.2　垂直信息模型集成

为了实现智能集成，必须为垂直、水平方向的集成进行信息模型的建设，OPC基金会除了提供基础信息模型的设计（如图4所示）之外，也针对垂直行业的信息模型与各个技术组织、协会进行合作，包括了诸如以下的一些组织：

（1）AutomationML：自配置通过使用自动化Machine Language描述组件和机器以及OPC-UA的能力实现，使得它们可以相互通讯。由OPC 基金会和AutomationML e. V. 共同开发的配套标准旨在将这两项技术结合起来，以适应当前正在进行的通讯数据的修改。

（2）OMAC/PackML：OMAC组织包括多个工作组，其中PackML是针对Pack Machine Language，通过与OPC基金会的合作，包装领域的信息模型将被纳入到OPC标准规范中，在包装行业的各家设备可以通过OPC UA进行集成。

（3）PLCopen：针对工业编程的国际标准化组织，制定符合PLCopen的面向OPC UA通信的编程标准，这使OPC UA也可以被集成到各家公司的集成开发平台中，如SIEMENS的Portal、B&R的Automation Studio、Beckhoff的TwinCAT、Rockwell AB的Logix等平台中，便于应用者基于OPC UA的直接工程集成应用。

（4）MTConnect：针对机床行业的行业信息规范。

（5）PI：针对Profibus与OPC UA集成的行规。

（6）EPSG：针对POWERLINK与OPC UA基金会的行规规范，于2015年SPS展会发布谅解备忘录，POWERLINK组织将积极支持OPC UA的通信互联开发。

（7）ETG：在2015年与OPC基金会达成谅解备忘录，并共同开发在OPC UA互联方面的通信集成。

（8）FDT/DTM：针对现场总线工具的配置。

（9）EUROMAP：针对塑料机械领域的数据通信模型。

（10）BacNet：针对楼宇自控领域的数据通信模型。

（11）MDIS：针对海上油气的OPC UA模型。

……

3.4　POWERLINK与OPC UA的嵌套方案

EPSG组织也积极开展与OPC基金会的合作，并于2015年达成谅解备忘录，EPSG组织将积极支持OPC UA的通信互联开发，并在其技术中实现了POWERLINK与OPC UA集成的解决方案（如图5所示）。

图5 POWERLINK集成OPC UA

在POWERLINK的异步阶段，OPC UA机制所包含的信息、数据通过这一通道进行传输，这样即可实现实时数据与非实时的OPC UA数据的交互，带来的好处在于：

（1）真正的实现了M2M、B2M在一个网络中的传输；

（2）简化了网络架构；

（3）完美地实现了实时与非实时数据的交互；

（4）大数据传输能力。由于POWERLINK采用的是独立帧技术，这使得它可以在每个数据帧中传输1496字节的数据，而不同于集束帧仅能在整个网络中传输一个以太网帧；

（5）满足模块化设计。由于可以任意采用分布式架构，POWERLINK嵌套OPC UA的方案可以使得系统实现真正的模块化，而不同于集束帧采用了集中式架构。

4　安全集成问题

安全是智能时代不容忽视的一个问题，传统的安全会带来当机，而在集成时代，这种当机会给OEE造成下降，以及产生诸多的不良品等问题，而openSAFETY是满足“工业4.0”时代集成的最佳实现，它可以在安全管理机制下实现异构网络总的不同设备间安全信息的集成。

4.1　openSAFETY——实现安全与生产效率的平衡

智能集成时代，安全将成为关键，openSAFETY支持异构网络中功能安全信息的交互，实现安全生产与生产效率的平衡。其特点如下：

（1）开源技术；

（2）更高的响应能力，更高的安全性；

（3）可运行于多种总线之上（PROFINET、Ethernet/IP等）；

（4）支持SafeROBOTICS，协同机器人的安全集成；

（5）满足SIL3、PLe功能安全一致性认证；

（6）满足IEC61784-3、IEC61508、IEC61800-5-2等标准；

……

图6 openSAFETY的集成架构[5]

从图6可以看到，open SAFETY在应用层提供基于SSDO、SPDO的安全型对象字典设计，以及安全的SNMT机制来管理网络，而在底层则可以将其运行在不同的通信协议如POWERLINK、CAN、TCP机制等基于以太网的网络。

表2 IEC61784-3关于安全信息处理的方法[6]

如表2所示，可以在openSAFETY的安全处理机制中将基于IEC61784-3所定义的各种安全机制予以实现，这样确保了安全数据交互的高速实时处理。

图7 openSAFETY支持多安全域信息传递

图7则显示了基于openSAFETY，多个安全域的设备可以被完美地集成于一个架构下，实现相关安全信息的集成，这种集成最大地确保了单机的安全，将对系统的影响降至最低，并可确保生产效率不会被影响，例如：通过SLS的减速可以实现不停机安全响应，而STO则可以实现安全恢复之后的不中断生产，确保工艺加工得以延续，而不致产生不良品。

5　智能制造的集成通信架构

图8显示了EPSG组织对于智能集成时代的整个网络架构的设计，这包含了以下三个重要方面集成：

（1）智能机器的实时通信；

（2）M2M&B2M集成；

（3）整体安全集成。

图8 智能制造的通信集成架构

从这个架构可以看出，基于POWERLINK、OPC UA、openSAFETY，即可实现整个智能工厂从设备到MES、管理系统的整个集成。

这里包含了大数据的传输能力、一网到底的简化结构，满足工业物联网、智慧工厂、服务网的整体集成，是“工业4.0”最佳的通信实现方案。

参考文献：

[1] Wolfgang Wahlster. Cyber-Physical AI Systems for Resource-Efficient Living, The Way Ahead New Directions at FBK ICT IRST Encounter Outstanding Visions from Across the Field Trento, December 17, 2012 : 14.

[2] Hermann, Mario, Pentek, Tobias, Otto, Boris. Woking Paper, Design Principles for Industrie 4.0 Scenarios:A Literature Review,1, Nov-2015.

[3] Roland Heide. International Symposium on Measurement and Control Technology & Intelligent Manufacturing,IEC TC65 Annual,Dalian, 2015 - 12.

[4] OPC Foundation. OPC Uni_ed Architecture Speci_cation, Part 1: Overview and Concepts. Release 1.01. 2009.

[5] openSAFETY. EPSG Working Draft Proposal 304 V1.1.4,Safety Profile Specification, Version 1.1.4,2011 : 24 - 25.

[6] Industrial communication networks – Profiles –. Part 3-13: Functional safety fieldbuses- General rules and profile definitions, 2016 - 5.

摘自《2017今日自动化技术应用在中国》