■ ENGEL
前言
物聯網構成了工業 4.0 的基礎。在未來的射出操作中，射出機、外圍設備、傳感器和應用將相互聯網，相互自主溝通、共享數據，相互觸發動作。傳統工業通信模式無法應對這些新的挑戰。 OPC UA 提供了一個解決方案。塑料工業致力於建立這種靈活、安全的通信架構作為標準。工業 4.0 為加工業開闢了新的可能性，但也帶來了新的挑戰。除其他方面，其中包括存儲和處理非常大量的數據，以及將非常多樣化的系統聯網。從長遠來看，物聯網個體參與者的互用性和連通性將是工業 4.0 項目成功的決定性因素。
為了使來自不同製造商的獨立、異構的系統能夠和諧地協同工作並有效地交換信息，它們必須使用一種公用語言。只有在這一基礎已經建立的情況下，才有可能掌控不斷增加的複雜性。例如，在現有概念中，控制系統通過射出機與外圍設備通信，甚至它直接與外圍設備通信。這導致了必須安裝和維護專有通信解決方案以在外圍設備和機器控制單元之間進行調解的情況。在工業 4.0 時代，這種方法的限制不再符合時代的要求。今天，我們需要一個技術中立的概念。主題是服務導向型架構。在塑料工業中，OPC UA（開放平臺通信統一架構）正在成為一種公用語言。這種工業通信模型可實現跨平臺、高性能、安全和靈活的通信，既可以在生產場所內進行通信，也可通過上級控制系統，如MES（製造執行系統）或ERP（企業資源規劃）進行通信。它可以進行自由擴展，並遵循上述服務導向方法，因此它可以單獨適應企業的特定業務流程。此外，OPC UA 還提供非常安全的數據傳輸。除其他方面外，集成的安全概念基於服務器、客戶端和用戶認證的X.509 證書。數據進行對稱和不對稱加密。在自動化工業中，OPC UA 已經得到了廣泛的應用。眾多主要的國際自動化供應商都依賴這一標準，微軟和 SAP 都支持 OPC UA。
今天，接口需要大量編程工作
通過 OPC UA 進行的通信是如何工作的？為了回答這個問題，我們首先分析目前的情況。如今，集成製造單元基於點對點連接。使用的是 RS232 或 RS485 等串行接口、PROFIBUS 或 EtherCAT 等現場總線（圖1）。
例如，為了將溫度控制單元與射出機連接，必須定義一個通信協議，它準確地描述將傳輸哪些參數。任何變化都需要更多編程，無論是用於機器還是溫度控制單元。製造單元的每個組件，如機械手、輔助系統、技術設備或激光單元，都需要自己的通信協議。程序員必須相應地投入大量的時間和精力，並且隨著流程集成全面增強的趨勢而不斷增長。製造單元現在通常已經包括 20 多個組件，接口和通信協議的數量相等。射出機從這個框架內的各個外圍系統檢索與製造過程相關的數據，並將其他數據發送到上級系統，而上級系統還需要另一個接口或以太網連接。作為系統提供商，ENGEL 目前為其標準設備提供超過 25 個串行接口協議，並開發了無數定制解決方案。
圖1: 如今，集成製造單元基於點對點連接，需要大量接口和通信協議
圖2: 為了能夠遠程利用射出機的全部功能範圍，使用了標準的商用 OPC UA 客戶端，例如 Unified Automation 的免費軟件 UaExpert
OPC UA 將大大簡化複雜的流程
在未來的智能工廠中，射出機和外圍設備將不再佈置為星形網絡。相反，所有機器和設備以及其他系統和流程將形成一個巨大的系統網絡（首圖- 導圖）。所有網絡參與者都在客戶端- 服務器模型的基礎上通過OPC UA 進行交互。這意味著它們主動提供其數據，射出機可以自主檢索所需的信息。
OPC 基金會所做的開發工作使通信架構不斷擴展。未來，通信不僅要根據請求- 響應的方法來執行（這需要在 OPC 客戶端和 OPC 服務器之間進行連接），而且還使用發佈- 訂閱原則，這將擴大 OPC UA 的應用範圍。現在服務器只能應答客戶端請求，但在將來，服務器將以這樣一種方式提供數據，即任何其他網絡參與者都可以自主檢索發佈者提供的信息。這種通信將不再需要佔用大量資源的連接。
當另一個系統被集成到網絡中時，其他參與者會自動識別該系統。一旦機器操作人員確認了網絡的添加，就會自動加載新參與者的通信模型。除了單純的數據傳輸外，OPC UA 還提供更多的功能。
因此，不僅可以傳輸單個參數，還可以傳輸基礎數據類型模型，包括單位、範圍值、本地化文本以及用於打開或關閉設備組件的方法甚至完整的機器狀態，或傳輸完整的數據集。這有助於減少停機時間。例如，在模具裝配的情況下，機器會將相應的數據集傳輸到外圍設備，然後外圍設備可以根據工藝需要自動調整設置。
在報警管理方面也有好處。以前，可能的報警消息文本必須事先制定並存儲在控制單元中，但現在註塑機控制單元可以通過 OPC UA 接收和顯示任何所需的報警文本，甚至提供幫助文本進行協助。
為了提高機器利用率，越來越多的處理器也通過智能服務解決方案將供應商集成到其網絡中，使他們能夠訪問特定的內部數據。對於這些服務應用，PC上安裝標準的商用 OPC UA 客戶端，例如 Unified Automation 的 UaExpert。客戶端通過網絡直接與外圍設備連接，並使用 OPC UA 瀏覽服務在 PC 屏幕上提供所謂地址空間結構化顯示，顯示所有參數。可用於設備的類型定義和方法（圖 2）。通過這種方式，也可以從射出機外部位置使用整體功能範圍，例如提供支持或服務。可以調用、分析和調整設備值和設置數據。此外，還可以遠程控制整個系統，例如打開或關閉外圍設備、調取設備狀態、更改配置或調取及確認報警消息。在未來工廠中，機器操作人員不用再關注數據的傳輸方式或新組件如何集成到現有網絡中。所有這些任務都由 OPC UA 負責。因此，通信模型大大簡化了對複雜流程的控制，並有助於集成額外流程。
圖3: 通過 iQ flow control，ENGEL 及其合作夥伴 HB-Therm 在確保智能工廠數據交換的道路上達到了一個里程碑。e-temp 溫度控制單元（左）通過 OPC UA 集成到射出機的 CC300 控制單元中
ENGEL 提供智能溫度控制解決方案
ENGEL 已經提出初步應用。通過 OPC UA，瑞士 HB Therm 生產的 e-temp 溫度控制單元集成到裝備了ENGEL e-flomo 的射出機 CC300 控制單元中。電子e-flomo 溫度控製配水系統持續監測流量和溫度，並將數值傳遞給溫度控制單元（圖 3）。通過 iQ 流量控制軟件的幫助，溫度控制單元可以根據當前需要自動調整泵速。將溫度控制單元和e-flomo 在控制器級別上進行合併，可以大大提高應用的過程一致性和能效。
在 OPC UA 提供的全部功能範圍基礎上，ENGEL 為溫度控制單元定義了一個通信模型（圖 4）。還將為其他外圍設備開發進一步的通信模式。目的是與其他領先的市場參與者一起，為射出應用中的通信模型建立一個通用標準。
OPC UA 並不總是 OPC UA
這些模型基於現有的 DI（設備集成）模型並對其進行擴展。 DI 模型包括外圍設備的大量信息和許多功能，如序號、固件版本和設備規格。然後添加更多內容，如操作狀態、設置數據、配置、校準數據和設備特定的數據。對於溫度控制單元，包括泵和加熱區等。將來，可以在設備之間傳輸完整的數據集，並通過 OPC UA 執行固件更新。開發設備特定的通信模型需要對相應設備有透徹的瞭解，這也是 ENGEL 與設備製造商密切合作的原因。根本上，必須利用 OPC UA 架構（圖 5）中的整個模塊範圍，以便充分利用其提供的潛力。
OPC UA 常常在實際上只是 OPC UA DA（數據存取）的時候被提到。但是在功能方面，後者所涵蓋的不過是 RS232 通常使用的普通數據傳輸協議。因此，OPC UA 並不總是指 OPC UA。
OPC UA 正在成為標準
OPC UA 的集成是 ENGEL inject 4.0 平臺的一個重要組成部分。在 inject 4.0 這一名稱下，ENGEL 將其所有產品和服務捆綁在一起，幫助優化工業 4.0 意義上的生產流程。
OPC UA 對塑料工業的重大意義也體現在歐洲塑料和橡膠機械製造商的聯盟組織 Euromap 的建議中。ENGEL 與其他市場參與者一起屬於發起者和那些因此推廣這一標準的企業。
圖4: ENGEL 開發了自己的通信模型（右），用於溫度控制單元的集成。基本模型（左）也為開發其他外圍設備（如輸送機、計量裝置和乾燥裝置）通信模型提供基礎
圖5: 必須利用 OPC UA 架構中的整個模塊範圍，以便充分發揮其提供的潛力。OPC UA 常常在實際上只是 OPC UA
DA（數據存取）的時候被提到。
（來源：www.ascolab.com）
前景：實時通信及其局限性
與射出機和控制系統之間的通信相比，射出機和機械手之間的通信帶來更大的挑戰。機器和機械手必須實時交換有關其動作的信息。實時通信將是實現智能工廠的下一個重要里程碑。 OPC UA 在其解決方案中採用了 TSN（時間敏感網絡）技術來應對這一挑戰，在其功能範圍中添加了發佈者- 訂閱者方法。首批使用“TSN 上的 OPC UA”的應用可能會在未來兩三年內在生產運營中實施（圖 7）。屆時，應該可以將數據傳輸速度保證在個位毫秒範圍內，甚至以後可以更低。對於包括毫秒和亞毫秒範圍內的大量伺服，將繼續使用傳統的現場總線系統。
機械手的完全集成，如ENGEL 作為系統解決方案提供商為其註塑機的ENGEL viper 線性機械手和ENGELeasix 多軸機械手及其CC300 控制單元提供的完全集成，已經能夠實現數據傳輸的實時通信速度低於2ms。這是可能的，因為通信不是通過接口完成，但機械手控制是作為機器控制單元的一個子系統實現的，機器和機械手利用相同的數據庫。在其係統解決方案業務的持續發展過程中，ENGEL 還將繼續促進供應商系統解決方案的這種完全集成。www.engelglobal.com ■
圖6: 操作控制級別形成生產場所與企業管理級別之間的聯繫。未來 OPC UA 也將用於這方面 
圖7: 借助 TSN 上的 OPC UA，兩三年內就可能實現實時通信。這是在射出機中實現機械手的先決條件
