隱藏在通信背后 ——如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜制造系統(tǒng)的軟件協(xié)作

　　1 通信在制造系統(tǒng)的水平集成

　　在一個(gè)End User工廠，它會(huì)出現(xiàn)不僅是某個(gè)設(shè)備的集 成，例如一個(gè)電子工廠，它可能還會(huì)牽扯到注塑機(jī)、CNC、貼 片、包裝等各種設(shè)備，那么，它們是如何被統(tǒng)一協(xié)作的呢?

　　德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)VDMA試圖構(gòu)建一個(gè)適用于 各種機(jī)器的狀態(tài)模型，以及基礎(chǔ)的信息模型來(lái)進(jìn)行“一統(tǒng)江 湖”，雖然感覺(jué)有點(diǎn)難，但這種精神值得贊揚(yáng)。在最新的OPC 基金會(huì)的在線會(huì)議里，看到VDMA試圖去構(gòu)造如圖1場(chǎng)景中的 連接問(wèn)題，即，在一個(gè)包含了切割、涂裝、包裝及檢測(cè)的流水 線里，這些機(jī)器間如何通過(guò)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)作。它定義了不多的 狀態(tài)機(jī)——執(zhí)行(Executing)、不執(zhí)行(Not Executing)、停 止服務(wù)(Out of Service)、不可用(Not Avaliable)四個(gè)狀 態(tài)。不過(guò)，我覺(jué)得這四個(gè)狀態(tài)如果對(duì)于復(fù)雜機(jī)器來(lái)說(shuō)，也許計(jì) 算可用性是夠了，但如果計(jì)算OEE設(shè)備綜合效率的話，就得看 其他的參數(shù)是否足夠。

　　但是，如果其伴隨信息模型——就目前的信息模型來(lái) 看，僅包括機(jī)器ID、監(jiān)控(狀態(tài)、運(yùn)行模式、健康狀態(tài)、消 耗)、機(jī)器設(shè)備、通知、作業(yè)單信息，感覺(jué)還差點(diǎn)意思，想 要達(dá)到如圖2的計(jì)算，如OEE、DPP(數(shù)字產(chǎn)品護(hù)照)的計(jì)算 和訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的交互信息、AI應(yīng)用的數(shù)據(jù)交互，現(xiàn)在 這個(gè)CS(所謂的伴隨行規(guī))還是不夠的。

　　對(duì)于這個(gè)“偉大”的想法，之所以覺(jué)得困難，是因?yàn)楝F(xiàn)實(shí) 中，似乎只有國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)SEMI的行規(guī)用得最好，但 它并未基于OPC UA來(lái)實(shí)現(xiàn)。SEMI的規(guī)約整體就像G代碼，它 給每個(gè)命令行定義了對(duì)應(yīng)的操作，以及攜帶的參數(shù)，機(jī)器的 任務(wù)在一個(gè)簡(jiǎn)單的G代碼下就可以運(yùn)行。SEMI其實(shí)是有個(gè)得天 獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，即是在半導(dǎo)體的生產(chǎn)鏈上，所有設(shè)備操作的對(duì) 象都是單一的，即那個(gè)被稱(chēng)為“Wafer晶圓”的東西，不管是 退火爐，還是光刻機(jī)、沉積、刻蝕、離子注入、拋光設(shè)備， 加工對(duì)象都是一致的，每臺(tái)設(shè)備所進(jìn)行的操作如上下料、工 藝過(guò)程、檢測(cè)等，所有動(dòng)作對(duì)應(yīng)的參數(shù)(起始位置、路徑、時(shí)間、溫度、壓力等等)都圍繞晶圓本身。同樣，就像TSN在 汽車(chē)行業(yè)容易被統(tǒng)一那樣，因?yàn)槠?chē)大致上都是由四個(gè)輪子+ 懸掛+發(fā)動(dòng)機(jī)(電機(jī)+逆變器)所組成——從物理對(duì)象建模的視 角來(lái)看，這個(gè)對(duì)象也是單一的模型。

　　通信的行規(guī)，其實(shí)定義了在執(zhí)行自動(dòng)化編寫(xiě)任務(wù)時(shí)， 以更為結(jié)構(gòu)和邏輯的形式去操作這些機(jī)器之間的協(xié)作。因?yàn)? 所有的機(jī)器都是“動(dòng)作”+“參數(shù)”按照邏輯來(lái)運(yùn)行的，就相 當(dāng)于每個(gè)子程序的調(diào)用，在新?tīng)顟B(tài)下調(diào)用新的子程序(攜帶 參數(shù))，而這些行規(guī)定義了這些動(dòng)作及所帶的參數(shù)格式。因 此，通信行規(guī)簡(jiǎn)化了整個(gè)自動(dòng)化程序的編寫(xiě)工作。

　　2 垂直行業(yè)的快速信息采集——垂直行業(yè)信息 模型

　　在不同行業(yè)，我們?nèi)绾稳タ焖俚卮罱ㄟ\(yùn)行系統(tǒng)，讓機(jī)器 之間形成協(xié)作呢?雖然，這種行業(yè)的信息模型非常難以被適 用，就像前面提到半導(dǎo)體SEMI的對(duì)象單一，但是在包裝機(jī)械 行業(yè)里，PackML標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被推廣了近30年，現(xiàn)在究竟又有多 少End User在使用呢?因?yàn)?，包裝領(lǐng)域的機(jī)器對(duì)象實(shí)在太復(fù) 雜了：液體、固體、粉體的包裝形式不同;制藥包裝里還有 片劑、丸劑、膠囊制劑、液體制劑、氣霧劑等等，這種復(fù)雜 的對(duì)象變化，很難統(tǒng)一!

　　當(dāng)然，這里想說(shuō)的不是困難，而是大家還沒(méi)有達(dá)到高度 的“工程集成”階段，各個(gè)行業(yè)在現(xiàn)實(shí)中，也未能實(shí)現(xiàn)真正的 所謂“智能制造”，因?yàn)?，連線才能顯示制造的智能!只有連 線的生產(chǎn)才需要更為“實(shí)時(shí)”的協(xié)作——單機(jī)關(guān)注的是動(dòng)作間的 工藝切換，產(chǎn)線則是全局的協(xié)作。

　　問(wèn)題不在這里，而在于“軟件化”，即，標(biāo)準(zhǔn)的軟件化設(shè) 計(jì)。這很關(guān)鍵——即，如何看待標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，是否我們制定的 標(biāo)準(zhǔn)能夠以軟件化形式在自動(dòng)化系統(tǒng)中被快速“配置”，標(biāo)準(zhǔn) 不是一個(gè)簡(jiǎn)單的文檔，而是基于工程需求設(shè)計(jì)的一個(gè)產(chǎn)品、 一個(gè)可復(fù)用的知識(shí)和“規(guī)則”。

　　PackML標(biāo)準(zhǔn)在這方面堪稱(chēng)典范，它 完美地制定了機(jī)器和系統(tǒng)如何被狀態(tài)機(jī) 協(xié)作，以及從最小的組件到整個(gè)產(chǎn)線的 模塊化設(shè)計(jì)，在作業(yè)管理解析下發(fā)到每 個(gè)控制任務(wù)的參數(shù)中，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的變 更。PackML是一套很好的通信行規(guī)設(shè)計(jì) 范例，它解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　(1 ) 進(jìn) 行 資 產(chǎn) 管 理 ， 計(jì) 算 O EE時(shí)，根據(jù)每個(gè)狀態(tài)的計(jì)時(shí)來(lái)計(jì) 算可用性(Ava lib ility)、良品率 (Quality)統(tǒng)計(jì)、機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行效率 (Performance)，這三個(gè)指標(biāo)就可以計(jì) 算OEE。

　　(2)它定義了很好的單一操作界

　　面，機(jī)器無(wú)論如何復(fù)雜，其都能在多個(gè)狀態(tài)間切換，實(shí)現(xiàn)邏輯 的任務(wù)編程與組織，這也是一個(gè)對(duì)用戶(hù)友好的方式，用簡(jiǎn)單的 邏輯來(lái)編排任務(wù)。

　　(3)機(jī)器的信息模型提高了整個(gè)數(shù)據(jù)采集的效率，通過(guò) 打包數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的工程數(shù)據(jù)采集。

　　從自動(dòng)化工程的視角來(lái)看，通信的行規(guī)其實(shí)定義了一種 快速的任務(wù)調(diào)度機(jī)制，即，當(dāng)作業(yè)變化時(shí)，快速地用狀態(tài)邏 輯來(lái)配置生產(chǎn)成為了可能。因此，通信行規(guī)，它要解決的是 在整個(gè)變化的生產(chǎn)中，如何快速地進(jìn)行Engineering的參數(shù)配 置，而不是復(fù)雜的編程。

　　3 云端系統(tǒng)與數(shù)據(jù)源的連接——從傳感器到云 端的連接

　　越來(lái)越多的工廠需要從底層到云端的數(shù)據(jù)，以及部署在 云端或邊緣側(cè)的控制與調(diào)度優(yōu)化。

　　在圖3中，在OPC基金會(huì)提出的云應(yīng)用倡議架構(gòu)中，其 實(shí)，提供了機(jī)器與產(chǎn)線端的數(shù)據(jù)，通過(guò)OPC UA Pub/Sub、C/ S機(jī)制、OpenAPI Rest、REST Queries的方式來(lái)形成各種數(shù)據(jù) 交互的支持。這個(gè)架構(gòu)包括了微軟、華為、亞馬遜作為主要 的推動(dòng)者。

　　在圖3的復(fù)雜架構(gòu)中，采用了非常多的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制，來(lái) 為顯示、產(chǎn)品管理(消費(fèi)者相關(guān))、MES(云端MES)、ERP (云端ERP)、AI分析助手等提供各自的數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制和協(xié) 議。在這些純軟件領(lǐng)域中，還定義了很多內(nèi)容，只要快速簡(jiǎn) 單配置即可。

　　圖4是我在OPC基金會(huì)的報(bào)告里看到的 來(lái)自國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化企業(yè)，該報(bào)告的主題是關(guān) 于WebAPI的連接方式，即直接在瀏覽器端 采用Web Client/Web Service的方式來(lái)提供 對(duì)OT端數(shù)據(jù)的直接訪問(wèn)。這是個(gè)好辦法， 其實(shí)，現(xiàn)在的PLC中配置一個(gè)Web Server也 很正常，通過(guò)瀏覽器來(lái)訪問(wèn)，自適應(yīng)性、易 于開(kāi)發(fā)的特性還是挺好的，也算是對(duì)OPC基 金會(huì)做出了一份來(lái)自中國(guó)的貢獻(xiàn)。這很關(guān) 鍵，支持WebAPI的OpenAtom組織的確是 由中國(guó)本地的華為、阿里、騰訊發(fā)起的，我 覺(jué)得這是一件很好事情，顯示出本土企業(yè)在 全球標(biāo)準(zhǔn)化組織中起到了積極的推動(dòng)作用。

　　4 工業(yè)控制與CAE軟件的協(xié)同——OPC UA的模 型交互

　　為了構(gòu)建數(shù)字孿生，需要在動(dòng)態(tài)的方式中連接這些軟件 之間的關(guān)系。最早時(shí)候，這個(gè)仿真類(lèi)軟件與自動(dòng)化類(lèi)軟件的 接口都是“私有”的，就像Mathworks針對(duì)不同的自動(dòng)化公司 都開(kāi)發(fā)不同的Connector接口一樣。后來(lái)，Modelica組織就開(kāi) 發(fā)出了FMU/FMI在各個(gè)CAD/CAE軟件間實(shí)現(xiàn)交互，包括自動(dòng) 化公司也支持這些方式，像SIEMENS、Rockwell AB、B&R、 Beckhoff等等都有這個(gè)接口。這就相當(dāng)于私有到專(zhuān)業(yè)，即， 在這個(gè)專(zhuān)業(yè)組織內(nèi)部，大家可以交互。不過(guò)，可能未來(lái)還是 OPC UA能夠跨領(lǐng)域， 因?yàn)镃AD/CAE/EDA是各自專(zhuān)業(yè)的系 統(tǒng)，OPC UA要打破這些專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)作，還要和MES/ERP、 云端、AI系統(tǒng)進(jìn)行交互，就需要更為通用的接口。

　　這個(gè)接口對(duì)于自動(dòng)化的好處其實(shí)在于“自動(dòng)代碼生成”， 像Mathworks的自動(dòng)代碼生成可以為核心算法封裝和下載到 本地PLC，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試，加速開(kāi)發(fā)效率和降低自動(dòng) 化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。

　　這些接口與規(guī)范，正代表了協(xié)作范圍的不斷延伸，產(chǎn)業(yè) 的不同領(lǐng)域必須打破那些橫亙?cè)谒^專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的“藩籬”，打 破影響協(xié)作與全局優(yōu)化的阻礙。這也是整個(gè)數(shù)字化要進(jìn)行的 工作前提，任何所謂的數(shù)字孿生、人工智能的分析與優(yōu)化， 都必須建立在這些“藩籬”被打破的、全面開(kāi)放的世界里。

　　開(kāi)放，將突破專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，也將突破層次結(jié)構(gòu)，即——在橫 向與縱向之間打破壁壘。

　　5 管理相關(guān)信息模型DPP/碳追蹤

　　之前看過(guò)關(guān)于數(shù)字產(chǎn)品護(hù)照DPP在綠色包裝產(chǎn)品方面的 應(yīng)用資料，但現(xiàn)在看來(lái)，DPP可能更像是針對(duì)動(dòng)力電池、消 費(fèi)電池等領(lǐng)域的一個(gè)壁壘。不過(guò)，歐盟DPP的參與方，還是 國(guó)內(nèi)的電池廠商比較多，例如CATL、BYD、億緯鋰能、陽(yáng) 光電源等，畢竟，歐洲好像也沒(méi)有特別拿得出手的電池制造 商。該標(biāo)準(zhǔn)主要面向全球的電池制造廠商，其中90%都在亞 洲，尤其是在中國(guó)。除此之外，包括像DPP——數(shù)字產(chǎn)品護(hù) 照、碳足跡這些貿(mào)易相關(guān)的內(nèi)容，也需要從機(jī)器中采集數(shù)據(jù) (Embedded DPP)，以及為了實(shí)現(xiàn)碳追蹤，在機(jī)器系統(tǒng)里 對(duì)能源相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(圖5)。

　　所以，OPC基金會(huì)和ZVEI、CATENA-X這些組織一起來(lái)實(shí) 現(xiàn)DPP的嵌入式數(shù)據(jù)采集方案，包括：在BMS里的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以 及對(duì)銷(xiāo)售流通環(huán)節(jié)、處理后環(huán)節(jié)的各個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等。其實(shí)， 也包括了碳足跡的追蹤問(wèn)題——在去年的報(bào)告里，OPC UA還定 義了碳足跡和碳捕捉的數(shù)據(jù)采集，這可能會(huì)和綠色電力的貿(mào) 易壁壘有關(guān)系，就是要知道制造產(chǎn)品的電力來(lái)自哪里。

　　6 統(tǒng)一工程規(guī)范MTP

　　對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)而言，如何在分布式的系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 間的連接工程，就像系統(tǒng)里由5個(gè)不同的PLC廠商來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè) 單元控制那樣——現(xiàn)在系統(tǒng)的任務(wù)變了，如何讓每個(gè)單元都能 升級(jí)其系統(tǒng)、怎樣才能把變更通過(guò)一個(gè)接口寫(xiě)入到每個(gè)控制 器的邏輯或算法單元中?

　　Automation ML自動(dòng)化機(jī)器學(xué)習(xí) 試圖構(gòu)建這樣的方案，但似乎并未能 夠很好的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)是Automation ML還沒(méi)有被大多數(shù)公司作為一個(gè)模 塊嵌入在系統(tǒng)中。

　　不過(guò)，MTP則似乎正在成為一個(gè) 熱點(diǎn)，它試圖去為分布式系統(tǒng)定義一 個(gè)工程的統(tǒng)一接口，以便能夠?yàn)檫@種 分布在多個(gè)地點(diǎn)的、由不同組件構(gòu)成 的整體系統(tǒng)的升級(jí)帶來(lái)工程效率方面 的提升。

　　因此，對(duì)于自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 工程集成——通過(guò)這種統(tǒng)一的規(guī)范就 可以很快地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化任務(wù)的集成。

　　圖6是Power to X(消納清潔能源，轉(zhuǎn)為綠氫，再轉(zhuǎn)為X- 甲烷、綠氨、汽油、甲醇等，統(tǒng)稱(chēng)為Power to X，即，電轉(zhuǎn)各 種能源X)其中核心的電解槽結(jié)構(gòu)，以及通過(guò)MTP為這個(gè)制氫 系統(tǒng)搭建的工程服務(wù)架構(gòu)(圖7)。

　　不過(guò)，最近聽(tīng)說(shuō)歐美很多大型的氫能項(xiàng)目都停止了。實(shí) 際上清華大學(xué)的一位專(zhuān)家大約在8年前就做過(guò)分析，電價(jià)如果 均量化度電成本(LCOE)不能低于0.25人民幣，按此計(jì)算， 制氫路線就不具有經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)橹挥兄袊?guó)的光伏和風(fēng)能的電 價(jià)可能才能達(dá)到這一數(shù)值。另外，從清潔能源消納的角度出 發(fā)，可能也只有中國(guó)才具有實(shí)現(xiàn)Power to X的必要性。

　　當(dāng)然，這部分就算閑扯了——其實(shí)這篇文章想說(shuō)的是，通 信規(guī)約在自動(dòng)化工程中的角色，以及其核心作用。

　　越來(lái)越復(fù)雜的集成，以及IIoT和AI應(yīng)用，使得工程集成變 得更加復(fù)雜，那么快速搭建這種信息模型、數(shù)據(jù)交互接口規(guī) 范與標(biāo)準(zhǔn)，還是很有必要的，OPC UA提供了一個(gè)好的方向， 不過(guò)，戴老師總是說(shuō)OPC UA太重了，的確——他們雄心勃勃 要干出“一統(tǒng)江湖”的通信，什么都往里面加。從今年的OPC 基金會(huì)報(bào)告中看到，包括信息安全、針對(duì)垂直行業(yè)(激光系 統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、航空系統(tǒng))、能源問(wèn)題、機(jī)器的統(tǒng)一通信行 規(guī)，以及各種通信技術(shù)如TSN/WiFi/5G等等都被納入其中。我 曾私下里和戴老師等討論過(guò)這個(gè)問(wèn)題，為什么像IEEE/IEC這些 組織能夠把很多來(lái)自不同領(lǐng)域、有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的企業(yè)都聚集在 一起為未來(lái)的發(fā)展制定標(biāo)準(zhǔn)，這是件挺厲害的事，這種組織 運(yùn)行機(jī)制也挺有意思的。