FLC系統(tǒng)架構(gòu)和與FLC相關(guān)的建模研究

由于其多功能性和制造商的獨(dú)立性，OPC UA現(xiàn)在已經(jīng)在許多不同的工業(yè)應(yīng)用中使用。但是，OPC UA不僅僅是傳統(tǒng)意義上的傳輸協(xié)議。相反，OPC UA是用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)4.0的，與協(xié)議無(wú)關(guān)的工業(yè)框架，其中包含用于與制造商和平臺(tái)無(wú)關(guān)的安全可靠的信息交換機(jī)制，以及語(yǔ)義信息建模和自我選擇的選項(xiàng)。設(shè)備的描述。OPC UA可以從各個(gè)級(jí)別的傳感器擴(kuò)展到MES / ERP，也可以擴(kuò)展到云。

為了滿(mǎn)足最終用戶(hù)，供應(yīng)商以及從過(guò)程自動(dòng)化到工廠自動(dòng)化的集成商對(duì)用例的所有要求，2018年11月，OPC基金會(huì)建立了現(xiàn)場(chǎng)水平通信（FLC）計(jì)劃，并得到了眾多主要自動(dòng)化供應(yīng)商的支持。該計(jì)劃的范圍是共同指定和標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)自不同制造商的控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的語(yǔ)義，協(xié)議和物理接口。

FLC涵蓋的主要用例是控制器到控制器和控制器到設(shè)備，包括對(duì)控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的IIoT連接的支持。與FLC相關(guān)的技術(shù)工作包括以下主題：

定義“自動(dòng)化組件”，其功能，接口和行為是過(guò)程和工廠自動(dòng)化中各種應(yīng)用中使用的不同F(xiàn)LC兼容控制器和設(shè)備所共有的功能，接口和行為定義系統(tǒng)行為和常見(jiàn)功能的序列（例如，引導(dǎo)和連接建立）

l I / O，運(yùn)動(dòng)控制，功能安全性和系統(tǒng)冗余之類(lèi)的應(yīng)用程序配置文件的協(xié)調(diào)和標(biāo)準(zhǔn)化

l 在線(xiàn)和離線(xiàn)場(chǎng)景下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的OPC UA信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化（例如，設(shè)備描述和診斷）

l 映射到下級(jí)通信協(xié)議和傳輸物理機(jī)制，例如TCP，UDP，以太網(wǎng)APL / SPE，確定性以太網(wǎng)（TSN），并將來(lái)映射到5G和Wi-Fi 6

l 確保OPC UA配套規(guī)范的最佳集成，例如FDI，F(xiàn)DT，PA-DIM，分析儀設(shè)備集成（ADI），模塊類(lèi)型包（MTP）和MDIS（油氣），VDMA泵，UMATI和Spectaris。

FLC互動(dòng)模型

為了從過(guò)程和工廠自動(dòng)化應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域中的特定和多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行概括，F(xiàn)LC使用了一個(gè)抽象的交互模型以及各種“抽象的” OPC UA用例。

控制器代表通常在可編程自動(dòng)化控制器，可編程邏輯控制器或分布式控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能。如今，自動(dòng)化設(shè)備通常連接到控制器，并且可以像感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)一樣簡(jiǎn)單，也可以像科里奧利流量計(jì)或伺服驅(qū)動(dòng)器一樣復(fù)雜。Compute的硬件方面從基于Raspberry Pi的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展到云中的刀片服務(wù)器，但更重要的是在這些服務(wù)器上運(yùn)行的軟件應(yīng)用程序?？刂破骱驮O(shè)備具有許多共同的屬性-術(shù)語(yǔ)“自動(dòng)化組件”用于將功能應(yīng)用于兩者的情況。

控制器到計(jì)算。 無(wú)論是儀表板中的管理信息，長(zhǎng)期過(guò)程優(yōu)化，預(yù)測(cè)性設(shè)備級(jí)診斷還是數(shù)字孿生，在Compute平臺(tái)上運(yùn)行的軟件都是當(dāng)今的主要?jiǎng)?chuàng)新領(lǐng)域。這些都需要從控制器中提取信息。OPC UA在當(dāng)今占主導(dǎo)地位，幾乎每個(gè)主要的控制器供應(yīng)商都直接在其控制器或設(shè)備上提供OPC UA。

控制器到控制器。 工廠所有者和系統(tǒng)集成商正在使用從不同的機(jī)器/滑架制造商處購(gòu)買(mǎi)的機(jī)器來(lái)組裝復(fù)雜的操作。他們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)都裝有其他供應(yīng)商的控制器。這導(dǎo)致需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)設(shè)置多個(gè)供應(yīng)商之間的控制器之間的通信。工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)尚未有效解決此問(wèn)題，F(xiàn)LC控制器到控制器解決方案將是第一個(gè)為所有類(lèi)型的自動(dòng)化應(yīng)用提供涵蓋標(biāo)準(zhǔn)和安全通信的可互操作的實(shí)時(shí)解決方案。

控制器到設(shè)備。 在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，使控制器與I / O模塊，驅(qū)動(dòng)器，伺服器，儀器和其他智能自動(dòng)化組件的子網(wǎng)進(jìn)行通信的傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方法已廣為人知。但是，當(dāng)部署融合的IT / OT解決方案或不同的工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)共享網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受到限制。FLC計(jì)劃將具有達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)有解決方案功能的控制器到設(shè)備的通信，并將添加IEC 61784規(guī)范未完全提供的功能。

設(shè)備到設(shè)備。 通過(guò)將多種車(chē)間技術(shù)的最佳實(shí)踐結(jié)合在一起，并通過(guò)協(xié)調(diào)終端設(shè)備中使用的應(yīng)用程序配置文件，諸如跨多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的不靈活負(fù)載的負(fù)載共享之類(lèi)的應(yīng)用程序?qū)⒆兊酶子谝曰ゲ僮鞣绞竭M(jìn)行部署。

設(shè)備到計(jì)算。 控制器通常充當(dāng)設(shè)備的代理，為這些設(shè)備提供的信息添加有價(jià)值的上下文，并在某些情況下控制對(duì)該信息的訪(fǎng)問(wèn)。然而，隨著設(shè)備變得越來(lái)越復(fù)雜，有用變量的數(shù)量以及內(nèi)部和外部測(cè)量值的不斷增長(zhǎng)，使用控制器作為代理變得越來(lái)越不切實(shí)際。例如，通過(guò)控制器從每個(gè)設(shè)備路由4，000個(gè)變量不再可伸縮。FLC將定義必要的語(yǔ)義和元數(shù)據(jù)，以將來(lái)自設(shè)備的信息上下文化，以在開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)中的各種基于Compute的軟件應(yīng)用程序中使用，而不會(huì)使控制器成為瓶頸。

計(jì)算到計(jì)算。 這些應(yīng)用程序包括通向IT系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，云-云連接，可互操作的制造運(yùn)營(yíng)管理等等。在過(guò)去的十年中，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信計(jì)劃將使用并建立在OPC UA在Compute-to-Compute應(yīng)用程序中取得成功的服務(wù)，信息模型和互操作性的基礎(chǔ)上。在FLC計(jì)劃中，預(yù)計(jì)不需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)支持Compute-to-Compute應(yīng)用程序的功能，但是這些應(yīng)用程序?qū)⒗^承并受益于在現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)日益增強(qiáng)的協(xié)調(diào)性。

FLC系統(tǒng)架構(gòu)

FLC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基于OPC UA框架（IEC 62541），可實(shí)現(xiàn)安全，可靠以及與制造商和平臺(tái)無(wú)關(guān)的信息交換。FLC控制器和設(shè)備一方面支持面向連接的客戶(hù)端/服務(wù)器通信模型，另一方面則支持發(fā)布/訂閱（PubSub）擴(kuò)展。由于對(duì)靈活性，效率和確定性有相應(yīng)的要求，因此OPC UA PubSub對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)通訊至關(guān)重要。FLC還使用OPC UA中指定的安全性機(jī)制，該機(jī)制尤其支持對(duì)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行身份驗(yàn)證，簽名和加密，并且可以用于客戶(hù)端-服務(wù)器以及PubSub通信關(guān)系。

FLC指定的擴(kuò)展的核心元素是OPC UA的元模型。這用于為FLC自動(dòng)化組件指定相應(yīng)的信息模型，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的OPC UA服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)建模的信息。

由于所有FLC自動(dòng)化組件（控制器和設(shè)備）都基于OPC UA，因此在所有自動(dòng)化級(jí)別上都可以進(jìn)行統(tǒng)一的集成通信，從而支持廣泛的用例，這帶來(lái)了全新的可能性，尤其是針對(duì)不同的Industry 4.0應(yīng)用場(chǎng)景和IT / OT融合。

離線(xiàn)工程

離線(xiàn)工程是開(kāi)發(fā)，運(yùn)行和維護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要元素。當(dāng)用戶(hù)有能力在將系統(tǒng)部署到物理硬件中之前了解自動(dòng)化系統(tǒng)的操作時(shí)，一旦物理系統(tǒng)安裝到位，用戶(hù)將知道系統(tǒng)將可靠且正確地執(zhí)行控制功能。用戶(hù)將能夠在對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行更改之前模擬自動(dòng)化系統(tǒng)的更改和更新，并確保更改將達(dá)到用戶(hù)的期望并改善系統(tǒng)的性能。在產(chǎn)品和配置描述符的幫助下，相應(yīng)的配置工具可以訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備描述。但是，規(guī)范工作并非“從頭開(kāi)始，

與FLC相關(guān)的建模

與FLC相關(guān)的工作的關(guān)鍵要素是通過(guò)所謂的OPC UA Facets進(jìn)行功能建模。OPC UA配置文件表示可以進(jìn)行原子測(cè)試的Facet的集合。完整配置文件代表設(shè)備的完整功能。

FLC基本方面描述了各種類(lèi)型的自動(dòng)化組件（控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）共有的基本功能，例如設(shè)備標(biāo)識(shí)，基本診斷和連接管理。特定于設(shè)備或功能的方面建立在基本方面上，例如用于功能安全，運(yùn)動(dòng)，I / O和儀表。

安全與運(yùn)動(dòng)

OPC UA安全性涵蓋了功能安全要求。為此，已經(jīng)采用了第一個(gè)OPC UA安全規(guī)范，該規(guī)范基于客戶(hù)端-服務(wù)器機(jī)制，并且是與Profibus用戶(hù)組織（PNO）組成的聯(lián)合工作組提出的。不久還將有一個(gè)擴(kuò)展，描述到PubSub的映射和安全設(shè)備的參數(shù)化。OPC UA安全概念的特殊之處在于，即使在正在進(jìn)行的操作過(guò)程中，安全參與者也可以集成到通訊中，而這是常規(guī)安全協(xié)議所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

Motion Facet包含針對(duì)各種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)設(shè)備（例如控件，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器）的運(yùn)動(dòng)控制功能的規(guī)范。FLC計(jì)劃已確定CIP Motion?和Sercos是基于OPC UA Motion的理想解決方案。將使用CIP Motion和Sercos規(guī)范，并且可以對(duì)其進(jìn)行更改或擴(kuò)展，以適應(yīng)FLC系統(tǒng)架構(gòu)，以支持涵蓋工業(yè)4.0和數(shù)字化用例的創(chuàng)新，并促進(jìn)數(shù)據(jù)建模和實(shí)時(shí)需求的現(xiàn)代概念。

由OPC指定和標(biāo)準(zhǔn)化的方面可以通過(guò)OPC UA配套模型進(jìn)行補(bǔ)充，例如FDI，F(xiàn)DT，PA-DIM，分析儀設(shè)備集成（ADI），模塊類(lèi)型包（MTP），MDIS（油氣），VDMA泵， UMATI，Spectaris等。此外，可以集成特定于供應(yīng)商的模型。

通訊

FLC的一個(gè)重要方面是為工廠和過(guò)程自動(dòng)化中的廣泛使用案例支持不同的基礎(chǔ)傳輸協(xié)議和物理層。為此，引入了服務(wù)質(zhì)量（QoS）建模的概念，它具有將服務(wù)靈活地映射到較低級(jí)別的通信協(xié)議的可能性。

第一步，F(xiàn)LC支持通過(guò)UDP進(jìn)行的第3層映射和到以太網(wǎng)TSN的直接第2層映射，二者均可與SPE / APL物理層結(jié)合使用。但是，QoS建模還可以輕松擴(kuò)展到其他下級(jí)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，包括無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)交換，例如5G或Wi-Fi 6。

OPC UA與直接映射到以太網(wǎng)TSN的組合特別重要。只有這樣，才能通過(guò)OPC UA進(jìn)行確定性的數(shù)據(jù)傳輸。由FLC指導(dǎo)委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的工作組目前正在制定FLC終端設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施組件的哪些TSN子標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)制性的，以滿(mǎn)足對(duì)性能，靈活性和易用性的特定要求。

在OPC基金會(huì)方面，對(duì)TSN-IA配置文件的明確承諾是由IEC / IEEE 60802工作組開(kāi)發(fā)的。其目的是可以通過(guò)通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施傳輸不同的協(xié)議和流量類(lèi)型。這種共存不僅對(duì)于IT和OT的融合至關(guān)重要，而且在遷移基于常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的現(xiàn)有棕地解決方案時(shí)也很重要。最后，用戶(hù)應(yīng)該能夠自由決定他們要用新系統(tǒng)替換舊系統(tǒng)或系統(tǒng)組件的速度。

路線(xiàn)圖

盡管新冠及其局限性，但第一個(gè)規(guī)范版本的工作在最近幾個(gè)月取得了良好的進(jìn)展。基本概念已被廣泛采用，并已納入規(guī)范初稿中。第一規(guī)范版本的發(fā)布候選版本觸手可及。根據(jù)目前的計(jì)劃，它應(yīng)該在第三季度準(zhǔn)備就緒。原型設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始驗(yàn)證規(guī)范草案。

預(yù)計(jì)將于2020年底發(fā)布第一個(gè)規(guī)范。與此同時(shí)，還將成立一個(gè)工作組來(lái)生成相應(yīng)的測(cè)試規(guī)范，然后將其轉(zhuǎn)換為OPC UA認(rèn)證工具（CTT）中的相應(yīng)測(cè)試用例。第二步。關(guān)于控制器到設(shè)備用例的概念的工作已經(jīng)開(kāi)始，這將包含在第二個(gè)規(guī)范版本中。

責(zé)任編輯：gt