前言

　　隨著國家制造2025戰略的推進，智能制造成為工業領域關注的焦點。智能制造內涵比較廣，是制造業發展的遠期目標。作為一個發展階段，數字化工廠更容易實施，更接地氣，因而也成為國內制造企業發展的現實目標。數字化工廠的概念最早由德國西門子公司提出，一般而言，它是指從產品研發、工藝、制造、質量和物流等各個環節都實現了數字化、無紙化、虛擬化。

　　OPC UA是OPC國際基金會在2008年推出的新一代實時數據通信標準，它旨在實現從現場設備到企業管理各個層級的實時數據互通互聯。OPC UA以其跨平臺、跨網絡、安全性和強大的建模能力，被公認為適用于工業互聯網和物聯網的通信標準，逐漸為眾多自動化設備廠商和軟件廠商所采納。OPC UA已經被IEC標準采納，我們國家相關的標準也在制訂之中。

　　OPC UA以其開放性和強大的建模能力，不僅能像傳統SCADA那樣采集設備的數據，也能把物料、工單、質量等和生產相關的所有數據集成起來。可以說，OPC UA生來就適合作為構建數字化工廠的實時數據通信標準。

　　北京艾克信控科技有限公司是國內最早把OPC UA技術應用到數字化工廠中的軟件企業之一，通過一系列項目的成功實踐，我們充分認識到OPC UA在構建數字化工廠中的重要作用。

　　本文利用幾個實例來說明OPC UA在數字化工廠中的應用。

數字化工廠的組成和特點

　　數字化工廠一般都需要一些典型系統支撐，包括：現場自動化設備、企業資源計劃（ERP）、制造執行系統（MES）、生命周期管理（PLM），以及物流自動化（WMS/WCS）。

　　數字化工廠的特點概括講就是三個集成，即垂直集成、水平集成和端到端集成。垂直集成是指客戶訂單從ERP，通過MES變成指令下達到自動化系統執行生產；生產的結果從現場設備，通過MES，反饋給ERP。水平集成貫串各個工序，能夠貫通原材料經過各個工序加工最終變成成品的整個過程。端到端的集成把市場需求經過工藝設計、生產變成客戶需要的產品。實現以上三個集成，企業制造水平就達到了一個比較理想的階段。

　　值得一提的是，MES和物流自動化的緊密結合，可以在設備自動化的基礎上，進一步提高整個車間、整個工廠生產自動化水平，顯著地減人增效，是當前企業制造升級的一個重要方向。

數字化工廠實踐一：產線管理系統（LMS）

　　某包裝機械股份有限公司，是中國液體（飲料）包裝機械的龍頭企業。在給飲料企業提供灌裝生產線設備和自動化的同時，基于艾克信控的績效分析軟件AicPPA，提供產線管理系統（LMS），為客戶提供生產監控、績效分析、工單和計劃、自動換產、設備管理等功能，讓生產管理人員能能夠實時掌握生產狀況，了解各種生產指標，及時發現問題，并不斷改進。

實踐1：產線管理系統（LMS）

　　產線管理系統通過內置的實時庫從產線設備自動采集生產線的停機、產量、質量、物料和能源消耗等數據。在此基礎上，提供各種績效分析和KPI，如設備整體效率OEE、設備利用率、六大損失、MTTR/MTBF（整線、單臺）等，以及故障設備和原因的排列圖，發現提高和改進的機會。系統還能夠自動統計各種物料消耗、能源消耗，從而為成本核算提供準確的數據支持。

　　LMS可以根據工單中的產品規格，把設備的工藝設定值下達到各個設備，實現根據工單自動換產。

　　利用LMS的設備管理模塊，設備管理人員能更有效地制定設備檢修計劃并準備備品備件，能夠全程跟蹤和記錄在設備的日常設備點檢、巡檢過程以及故障期間的檢修過程，并能依據設備運行參數自動提示保養和維修，從而提高設備綜合管理水平。

　　這個案例利用OPC UA實現了工廠建模，以及數據集成。需要指出的是，這里的數據集成不僅僅是設備數據，還包括物料數據、工單數據和質量數據等。也就是利用OPC UA的通信和建模能力實現數字化和虛擬化。

數字化工廠實踐二：支撐定制化生產平臺的MES

　　某寵物食品集團，是中國最大的寵物零食生產商和出口商。為了滿足國內客戶對寵物食品個性化要求，集團打造了電商定制化生產平臺。此平臺包括電商系統，制造管理系統MES，生產自動化系統DCS，物流發運則直接利用某第三方物流平臺。

實踐2：定制化生產C2F

　　在本項目中，依托艾克信控的AicMES產品，將消費者的“個性化要求”、“個性化信息”從電商銷售平臺傳遞到生產平臺，再傳遞到物流發運平臺，實現信息流、物流、以及資金流的統一、同步，保證客戶訂單的精準、快速響應。

　　AicMES通過訂單歸并和排產，把小批量盡量合并成大批量，減少生產切換，優化生產，降低成本。通過和DCS等自動化系統緊密集成，把客戶特殊要求變成自動化生產的指令，實現自動生產切換，加快生產節奏。同時，實現全程的物料識別和跟蹤，減少工序出錯。

　　本項目除了利用OPC UA實現MES和現場控制系統之間的集成之外，還利用OPC UA實現各種MES客戶端的實時數據顯示，包括桌面終端、現場平板電腦，以及現場大屏幕等。

數字化工廠實踐三：全廠/車間自動化物流調度（WCS）

　　物流自動化在數字化工廠中應用越來越廣泛。利用自動化物流，可以實現工序之間、設備之間物料的自動銜接，把以前需要人工完成的物料搬運、上下料，通過機器人、AGV小車、立庫實現自動化。筆者認為，MES和物流自動化緊密結合，可以在設備自動化的基礎上，進一步提高整個車間、整個工廠生產自動化水平，顯著地減人增效，是企業制造升級的重要方向。

實踐3：全車間自動化物流調度（WCS）

　　某設備制造商以某裝配車間為試點，進行數字化車間改造。新上自動化立庫、AGV小車等設備，調度軟件采用AicWCS。WCS實現零部件自動入庫，根據從ERP接收的生產工單自動從立體庫調出零部件，由人工撿配后，剩余貨品退回庫內。并在撿配完成后，自動調度AGV小車，把料箱運輸到裝配工位。

本案例的調度軟件，利用OPC UA的建模能力對各種輸送設備進行建模和實時數據映射。調度算法則利用面向對象的思想和C#高級編程語言，能夠有效地簡化原本復雜的調度算法。

　　采用這種方式，AicWCS已經成功應用在自動化立體庫調度、分揀調度（包括大型分揀中心調度）、AGV小車調度（包括大規模開放環境AGV調度）中。筆者認為，隨著全廠/車間自動化物流的普及，物流調度的復雜程度將顯著增加，這種調度編程方式也將會有著廣闊的應用前景。

OPC UA在數字化工廠的作用

　　通過以上實踐，可以總結出OPC UA在數字化工廠能夠發揮如下作用：

　　數字化工廠建模和數據集成：利用OPC UA的通信能力和建模能力，能夠對整個工廠設備進行建模，并把各種和生產相關的實時數據集成到OPC UA的地址空間中，從而為數字化工廠打下堅實基礎。

　　貫串設備層到管理層的統一數據顯示：OPC UA能夠跨平臺、跨語言，能夠應用在各種異構系統中，包括從底層控制器，HMI/SCADA，制造執行系統，直到企業管理層。

　　利用面向對象思想簡化復雜算法：OPC UA提供了強大的建模能力，能夠對現場設備進行建模，在此基礎上，可以把面向對象的編程思想應用到控制領域，從而有效地簡化復雜算法（如調度等）。

　　實現對云端應用的支持：OPCUA底層可以基于TCP或者HTTP/HTTPS，能夠跨網絡，方便地在公網上傳輸，同時，提供了完善的安全體系。可以說，OPC UA已經為工業互聯網應用進行了充分的技術準備。

文章來源：北京艾克信控科技有限公司