通过M-to-M高效沟通实现工业数字化

寂静回声

互联工厂、MES（制造企业生产过程执行管理系统）、ERP（企业资源计划）、云联接、数字化、设备监控以及其它一系列新的技术热潮，正不断推动横向和纵向的互联进程的深入发展。这对于在工厂中实现设施之间的互联访问无疑是非常有利的，其中包括传感器之间以及设备与设备之间沟通互联。这也在一定程度上增加了故障诊断和系统维护的便捷性，从而减少了因设备故障引发的停工时间。设备之间可以相互通信，并且可以根据所遇到的“瓶颈”问题和机械故障采取必要的纠正措施。互联工厂的优势是非常显著的。但是，要占有这样的优势并不容易，必须经过重重考验才能真正实现全球工厂的互联互通。
工厂互联所面临的挑战
如果不能在不同厂家生产的设备之间实现沟通和更高层次的数据交互，那么互联工厂、MES/ERP/云联接就只是空中楼阁。设备与设备之间的沟通是实现数字化工厂所必需面临的现实问题。这个问题不解决，或者解决得不到位，完整化的互联工厂就不可能出现。
设备与设备以及设备与云端的联通对于数字化工厂和智能制造的实现都起到举足轻重的作用。几年前，我们从移动手机时代过渡到了智能手机时代。这个变革过程是相对容易的，因为这是消费市场驱动的结果，也是个人消费选择的结果。
另外，实现数字化工业变革所需要付出的时间、金钱、智力成本，相对于这一变革所带来的种种益处都变得微不足道了。今天，我们会热烈讨论智能家居和各种层出不穷的联网设备，比如Alexa、 Siri、Google Home。然而，我们可能并没有意识到各种家用电器是不是能够真正连上网络。要实现智能家居的美好理想，只有Alexa、 Siri 、Google Home设备是办不到的，我们要切实地将家里的每一样家电接上网络才行。这是分散智能管理以及电器与电器互联的实际方法。
类似的，当我们讨论智能工厂或数字工厂时，情况就更加复杂了，不能简单地用一种新的系统代替旧的正在运转的系统，因为这样做的投资成本是巨量的。工厂所面临的问题是如何在可控的成本内实现横向和纵向的互联互通，并且尽可能地达成智能化目标。
横向与纵向互联互通
工厂所面临的挑战是实实在在的，但是攻克它们并非不可能。工厂在通向数字化和智能化的道路上，需要一张系统化的路线图做指引。而开源联接都为工厂的无缝横向和纵向联接提供了一个很好的平台和一种解决方案。开源解决方案还有助于提高供应商的独立性，从而有利于缩减成本。这就为自动化供应商、设备制造商以及工厂带来了更多机遇和可能性。
纵向互联能够帮助工厂将设备数据向上层传输，并用于分析诊断。很多工厂都不希望将数据上传到云端，而只想在内部局域网中进行传输。因此，他们会选择MES/ERP系统来实现互联。另一方面，一些工厂有把数据从局域网上传到云端的需求。还有一些工厂想要进一步推进互联性，他们希望单一设备可以联接到云端来进行信息传递。开源的供应商独立沟通平台可以轻松实现上述各种需求，并且不会受制于任何供应框架。此外，工厂还能利用从单个设备中收集的数据，能够计算出设备的总体效率，监测能源消耗量和生产线运营状况，从而提高生产效率和资源利用率。
开源联接解决方案为工厂横向与纵向无缝联接的建立提供了最佳平台。
横向互联将带动工厂间的沟通对话，实现重要数据和参数的互换分享。一个故障带来的往往是整个生产线的停滞，一个“瓶颈”问题就此产生了。生产停滞就意味着更多的损耗、更长的停工期和更高的重启成本。有了横向互联，生产线中的各个设备可以降低它们的运转速度，并保持低生产率和吞吐量，这时维修团队可以尽力排除故障，从而减少损耗和停工期。另外，多参数数据交互还可以提高生产线整体效率的计算准确性。
用开源解决方案来简化互联
多年来，工厂运营商受到供应链的控制，被迫使用由自动化供应商极力推广的某些互联解决方案。而这些互联解决方案中的大多数所具有的特性，已经成为了实现数据无缝交互的主要障碍。这就导致越来越多的工厂开始转而应用开源解决方案来实现无缝联接。
OPC UA（Unified Architecture，统一架构）、MQTT和AMQP是一些工厂使用的纵向互联通信协议。这些协议都具有开源特性，可以被任何自动化方案供应商所采纳。即使是云端平台也能应用这些协议来实现工厂数据交互。这意味着工厂可以用更便利的方式将数据传输到IT（信息技术）系统或云端，而无需协议转换和其它附加流程。因此，工厂的基础设施运营成本就大大降低了。只要工厂中的各个设备能够作为相对独立的单元运行如常——发送和接收独立的诊断数据和命令——OPC UA就能够持续充当M-to-M高效沟通的理想媒介。另外，OPC UA 还可以提供IT系统和云端联接的信息安全保护机制。
用OPC UA TSN来推动生产力最大化
另外，OPC UA TSN（Time Sensitive Networking，高时效网络）还可以为各类信息系统提供实时联接，其中包括大型IT网络系统，安全、插接和生产架构，以及发布/订阅机制。目前，OPC UA的应用局限性只限制在处理复杂过程的实时响应上。为了弥补这一局限性，可以应用OPC Foundation和IIC（Industrial Internet Consortium，工业互联网联盟）来拓展OPC UA协议的实时通信能力：一种基于IEEE 802.1标准的专为TSN网络建立的发布/订阅模型。
OPC UA TSN甚至可以用于建立工作场所的实时联接，这是前所未有的。B&R公司曾经与TSN网络技术专业公司TTTech合作，对面向未来的OPC UA TSN通信协议进行了深入测试。测试结果表明其周期在2毫秒内，一次抖动为100纳秒。
因此，OPC UA TSN可以适用于实时要求比较高的生产线场合，比如用于运输零件的同步传送带，如果将其应用于物联网IoT，那么通信沟通可以深入至控制器水平。
目前，OPC UA使用的是客户端/服务器机制，也就是客户端请求并接收来自于服务器的响应信息。当网络上有许多节点时，这个机制就会显示出其局限性。相反的，发布-订阅模型则支持一对多和多对多的通信。也就是服务器将数据发送到网络（发布过程），每个客户端都可以接收到此数据（订阅过程）。仅仅依靠发布-订阅模式不足以实现OPC的实时功能。汽车工业正在致力于大力推动TSN的发展，很快就能以相对低廉的价格获得其所需的半导体元件了。汽车行业还希望通过以太网来处理所有的 控制任务、应用程序以及相关的安全机制。为了实现这一点，他们需要实时的循环周期和确定的网络行为。
当信息技术遭遇自动化
通过前文的论述，我们可以看出OPC UA可以用于建立工厂网络联接，包括横向、纵向、M-to-M的通信沟通。随着OPC UA在自动化生产线上的应用不断深入，机械设备的通信构架也将发生显著变化。传统的工厂级别的现场总线系统将不复存在，取而代之的是OPC UA TSN与POWERLINK相结合的开源平台，这种开源平台将覆盖到所有工业行业的生产通信沟通领域。