前言

    随着国家制造2025战略的推进，智能制造成为工业领域关注的焦点。智能制造内涵比较广，是制造业发展的远期目标。作为一个发展阶段，数字化工厂更容易实施，更接地气，因而也成为国内制造企业发展的现实目标。数字化工厂的概念最早由德国西门子公司提出，一般而言，它是指从产品研发、工艺、制造、质量和物流等各个环节都实现了数字化、无纸化、虚拟化。

    OPC UA是OPC国际基金会在2008年推出的新一代实时数据通信标准，它旨在实现从现场设备到企业管理各个层级的实时数据互通互联。OPC UA以其跨平台、跨网络、安全性和强大的建模能力，被公认为适用于工业互联网和物联网的通信标准，逐渐为众多自动化设备厂商和软件厂商所采纳。OPC UA已经被IEC标准采纳，我们国家相关的标准也在制订之中。

    OPC UA以其开放性和强大的建模能力，不仅能像传统SCADA那样采集设备的数据，也能把物料、工单、质量等和生产相关的所有数据集成起来。可以说，OPC UA生来就适合作为构建数字化工厂的实时数据通信标准。

    北京艾克信控科技有限公司是国内最早把OPC UA技术应用到数字化工厂中的软件企业之一，通过一系列项目的成功实践，我们充分认识到OPC UA在构建数字化工厂中的重要作用。

    本文利用几个实例来说明OPC UA在数字化工厂中的应用。

数字化工厂的组成和特点

    数字化工厂一般都需要一些典型系统支撑，包括：现场自动化设备、企业资源计划（ERP）、制造执行系统（MES）、生命周期管理（PLM），以及物流自动化（WMS/WCS）。

    数字化工厂的特点概括讲就是三个集成，即垂直集成、水平集成和端到端集成。垂直集成是指客户订单从ERP，通过MES变成指令下达到自动化系统执行生产；生产的结果从现场设备，通过MES，反馈给ERP。水平集成贯串各个工序，能够贯通原材料经过各个工序加工最终变成成品的整个过程。端到端的集成把市场需求经过工艺设计、生产变成客户需要的产品。实现以上三个集成，企业制造水平就达到了一个比较理想的阶段。

    值得一提的是，MES和物流自动化的紧密结合，可以在设备自动化的基础上，进一步提高整个车间、整个工厂生产自动化水平，显著地减人增效，是当前企业制造升级的一个重要方向。

数字化工厂实践一：产线管理系统（LMS）

    某包装机械股份有限公司，是中国液体（饮料）包装机械的龙头企业。在给饮料企业提供灌装生产线设备和自动化的同时，基于艾克信控的绩效分析软件AicPPA，提供产线管理系统（LMS），为客户提供生产监控、绩效分析、工单和计划、自动换产、设备管理等功能，让生产管理人员能能够实时掌握生产状况，了解各种生产指标，及时发现问题，并不断改进。

    产线管理系统通过内置的实时库从产线设备自动采集生产线的停机、产量、质量、物料和能源消耗等数据。在此基础上，提供各种绩效分析和KPI，如设备整体效率OEE、设备利用率、六大损失、MTTR/MTBF（整线、单台）等，以及故障设备和原因的排列图，发现提高和改进的机会。系统还能够自动统计各种物料消耗、能源消耗，从而为成本核算提供准确的数据支持。

    LMS可以根据工单中的产品规格，把设备的工艺设定值下达到各个设备，实现根据工单自动换产。

    利用LMS的设备管理模块，设备管理人员能更有效地制定设备检修计划并准备备品备件，能够全程跟踪和记录在设备的日常设备点检、巡检过程以及故障期间的检修过程，并能依据设备运行参数自动提示保养和维修，从而提高设备综合管理水平。

    这个案例利用OPC UA实现了工厂建模，以及数据集成。需要指出的是，这里的数据集成不仅仅是设备数据，还包括物料数据、工单数据和质量数据等。也就是利用OPC UA的通信和建模能力实现数字化和虚拟化。

数字化工厂实践二：支撑定制化生产平台的MES

    某宠物食品集团，是中国最大的宠物零食生产商和出口商。为了满足国内客户对宠物食品个性化要求，集团打造了电商定制化生产平台。此平台包括电商系统，制造管理系统MES，生产自动化系统DCS，物流发运则直接利用某第三方物流平台。

                                                                                                        实践2：定制化生产C2F

    在本项目中，依托艾克信控的AicMES产品，将消费者的“个性化要求”、“个性化信息”从电商销售平台传递到生产平台，再传递到物流发运平台，实现信息流、物流、以及资金流的统一、同步，保证客户订单的精准、快速响应。

AicMES通过订单归并和排产，把小批量尽量合并成大批量，减少生产切换，优化生产，降低成本。通过和DCS等自动化系统紧密集成，把客户特殊要求    变成自动化生产的指令，实现自动生产切换，加快生产节奏。同时，实现全程的物料识别和跟踪，减少工序出错。

    本项目除了利用OPC UA实现MES和现场控制系统之间的集成之外，还利用OPC UA实现各种MES客户端的实时数据显示，包括桌面终端、现场平板电脑，以及现场大屏幕等。

数字化工厂实践三：全厂/车间自动化物流调度（WCS）

    物流自动化在数字化工厂中应用越来越广泛。利用自动化物流，可以实现工序之间、设备之间物料的自动衔接，把以前需要人工完成的物料搬运、上下料，通过机器人、AGV小车、立库实现自动化。笔者认为，MES和物流自动化紧密结合，可以在设备自动化的基础上，进一步提高整个车间、整个工厂生产自动化水平，显著地减人增效，是企业制造升级的重要方向。

                                                                                            实践3：全车间自动化物流调度（WCS）

    某设备制造商以某装配车间为试点，进行数字化车间改造。新上自动化立库、AGV小车等设备，调度软件采用AicWCS。WCS实现零部件自动入库，根据从ERP接收的生产工单自动从立体库调出零部件，由人工捡配后，剩余货品退回库内。并在捡配完成后，自动调度AGV小车，把料箱运输到装配工位。

    本案例的调度软件，利用OPC UA的建模能力对各种输送设备进行建模和实时数据映射。调度算法则利用面向对象的思想和C#高级编程语言，能够有效地简化原本复杂的调度算法。    

    采用这种方式，AicWCS已经成功应用在自动化立体库调度、分拣调度（包括大型分拣中心调度）、AGV小车调度（包括大规模开放环境AGV调度）中。笔者认为，随着全厂/车间自动化物流的普及，物流调度的复杂程度将显著增加，这种调度编程方式也将会有着广阔的应用前景。

OPC UA在数字化工厂的作用

    通过以上实践，可以总结出OPC UA在数字化工厂能够发挥如下作用：

    数字化工厂建模和数据集成：利用OPC UA的通信能力和建模能力，能够对整个工厂设备进行建模，并把各种和生产相关的实时数据集成到OPC UA的地址空间中，从而为数字化工厂打下坚实基础。

    贯串设备层到管理层的统一数据显示：OPC UA能够跨平台、跨语言，能够应用在各种异构系统中，包括从底层控制器，HMI/SCADA，制造执行系统，直到企业管理层。

    利用面向对象思想简化复杂算法：OPC UA提供了强大的建模能力，能够对现场设备进行建模，在此基础上，可以把面向对象的编程思想应用到控制领域，从而有效地简化复杂算法（如调度等）。

    实现对云端应用的支持：OPCUA底层可以基于TCP或者HTTP/HTTPS，能够跨网络，方便地在公网上传输，同时，提供了完善的安全体系。可以说，OPC UA已经为工业互联网应用进行了充分的技术准备。