從軟件定義制造談起
人類進入工業(yè)生產(chǎn)的歷史可以追溯到十八世紀初葉。歷經(jīng)第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命、第三次工業(yè)革命，現(xiàn)在已進入到第四次工業(yè)革命。人類積累和發(fā)展的工業(yè)技術(shù)涵蓋從原料加工、能源開發(fā)、轉(zhuǎn)換和配送、各類產(chǎn)品的制造加工工藝、方法和管理等等，可謂是琳瑯滿目、浩如煙海。特別是進入信息化的時代，計算技術(shù)的飛躍發(fā)展、無所不在的通信手段、智能化的明確目標，使得工業(yè)技術(shù)的軟件化成為了全世界工業(yè)人的一致追求。工業(yè)技術(shù)的軟件化就是用軟件作為工具和載體來表達和實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)的種種方面，而軟件定義制造則是工業(yè)技術(shù)軟件化的一種有效方式。軟件定義制造只不過是用軟件作為工具和載體，輔助工業(yè)人把多少年積累的制造原理、工藝、方法、訣竅等領(lǐng)域知識以標準和規(guī)范的方式表達出來，從而完成工業(yè)制造的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程的第一階段。然后以這些原理、工藝、方法和訣竅所構(gòu)成的領(lǐng)域知識也得以以數(shù)字化的手段在更加廣泛的范圍內(nèi)得到高效率地推廣復用，這是第二個階段。所以先是由下而上的積累和標準化，然后再通過軟件的形態(tài)自上而下用計算技術(shù)加以實現(xiàn)，這才是完整的軟件定義制造的邏輯過程。如果在某些制造領(lǐng)域，其知識尚未總結(jié)上升成為該領(lǐng)域公認的標準和規(guī)范，軟件就無從定義，定義也沒有依據(jù)。顯然，工業(yè)領(lǐng)域知識及其標準化是軟件定義的基礎(chǔ)和依據(jù)。
由此可見，軟件定義制造技術(shù)，不是宣揚軟件無所不能，而是告訴大家，我們可以依據(jù)工業(yè)領(lǐng)域的標準和規(guī)范，以軟件為手段，通過模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件工程方法高效、準確地將工業(yè)領(lǐng)域多年來積累的工程原理、經(jīng)驗和實踐表達出來，為制造技術(shù)應用賦能、賦值和賦智，同時提供更多新的能力,包括靈活性、復用性。軟件定義制造技術(shù)，需要結(jié)合其應用場景進行合理的抽象和概括，設計出適合所有應用模式和場景的狀態(tài)圖，然后在此基礎(chǔ)上運用結(jié)構(gòu)化、模塊化的方法設計出滿足功能要求的功能性模塊集合和管理軟件運行的管理性模塊集合，便于按照系統(tǒng)的要求轉(zhuǎn)移狀態(tài)和執(zhí)行功能。例如，作為軟件定義運動控制的基礎(chǔ)和依據(jù)的PLCopen運動控制規(guī)范，盡管遠早于軟件定義制造的概念形成之前，但這并不影響該規(guī)范沿著軟件技術(shù)和軟件工程的正確方向發(fā)展，同時也獲得廣泛支持和實踐檢驗。再如被包裝行業(yè)以及為包裝服務的許多工業(yè)自動化企業(yè)一直推崇的PackML規(guī)范，從十多年前開始構(gòu)思和規(guī)劃發(fā)展，到具體設計、開發(fā)、實驗和不斷完善，其主線同樣也是依據(jù)數(shù)十年來包裝技術(shù)和包裝過程運行管理的知識積累，在標準化的基礎(chǔ)上實施軟件化的。實踐證明，PackML為高效、低成本地把不同制造廠生產(chǎn)的機械設備集成為在控制、監(jiān)控、生產(chǎn)管理等方面均具備極佳一致性的產(chǎn)線，探索出了一條軟件定義制造的可行道路。
這兩個已通過整個行業(yè)的廣泛實踐驗證了的“軟件定義制造”案例說明：工業(yè)技術(shù)軟件化的大方向是完全正確的，是一定行得通的。但正確和可行的背后必定由正確的方法論支撐。
揭開PackML成功的秘訣
眾所周知PackML是由OMAC(Organization for Machine Automation and Control)主持開發(fā)的，但很少有人知道在開發(fā)PackML之前，這個以開放模塊化進行機械設備自動化控制為宗旨的專業(yè)組織也選擇過其他方向，走過一些彎路。那么為什么PackML會獲得如此巨大的成功呢？
首先PackML的開發(fā)具有明確的目的性和驅(qū)動力。為了適應市場對包裝業(yè)務發(fā)展的需求，諸如大規(guī)模客制化生產(chǎn)、多品種小批量生產(chǎn)，以及包裝要求的多樣化和個性化，需要開發(fā)一種綜合性的技術(shù)解決方案，盡可能的實現(xiàn)用較少的包裝生產(chǎn)線滿足多品種的包裝要求，同時還具備執(zhí)行精益生產(chǎn)管理的能力。考慮到業(yè)務發(fā)展的各種驅(qū)動因素，如不斷加快的投放市場時間，日益縮短的產(chǎn)品生命周期，包裝產(chǎn)品的多樣性，快速滿足消費者要求，提高包裝機械的維護質(zhì)量，減低成本，削減設備投資，增加靈活性等，PackML開發(fā)團隊提出了具體的目標：交付時間削減50%，包裝線啟動時間削減50%，從一種包裝轉(zhuǎn)換為另一種包裝的轉(zhuǎn)換時間削減50%，材料消耗減少50%，停機時間和檢修時間減少50%，提高產(chǎn)出50%，提高平均無故障時間50%，增加包裝線的靈活性50%。將以上業(yè)務發(fā)展驅(qū)動因素和包裝要求概括為圖1所示的矩陣表。
圖1 業(yè)務驅(qū)動因素和包裝要求矩陣表
其次，PackML是一個經(jīng)過充分驗證的獨立的標準。它綜合運用了許多適合于包裝過程的控制和管理的成熟工業(yè)標準。比如在管控架構(gòu)上運用了IEC 61512(ISA S88)批量控制標準，按企業(yè)、工廠、車間的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)將包裝生產(chǎn)線設置為車間中的流程處理單元。產(chǎn)線由不同功能的設備單元集成，而設備單元又是由設備模塊構(gòu)成，設備模塊包含了許多控制模塊(詳見圖2)。按照這樣的系統(tǒng)架構(gòu)貫通從上層的調(diào)度管理到底層機械設備的邏輯控制、順序控制和運動控制以及安全控制，還開創(chuàng)性地定義了PackTag包裝用通信標簽，用OPC UA實現(xiàn)了機器對機器(M2M)和機器對其上層的HMI、MES等的通信。PackML成功地用軟件工程的方法對包裝生產(chǎn)過程重新定義，支持了多品種、變批量的柔性自動化高效生產(chǎn)；對機械設備供應商、控制和通信供應商、管理系統(tǒng)供應商和系統(tǒng)集成商提供了可操作的標準化的關(guān)系界定；而對最終用戶則是以一攬子的方式滿足了它們提質(zhì)增效、降低成本的訴求。
圖2 ISA 88(IEC 61512)的系統(tǒng)架構(gòu)
第三，PackML提供了完善定義的模式/狀態(tài)模型，簡捷清晰地概括了包裝生產(chǎn)過程的所有模式和對應于不同模式下的運行狀態(tài)。在全自動生產(chǎn)模式下其狀態(tài)圖由17個狀態(tài)組成，涵蓋了包裝生產(chǎn)的全部過程，用以對制造設備單元/機械設備的狀態(tài)進行控制和可視化監(jiān)控。狀態(tài)圖的語法是用命令(外部命令和網(wǎng)絡命令)激活狀態(tài)去執(zhí)行某種動作功能，用狀態(tài)完成(state completed, SC)執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移、進入等待或執(zhí)行狀態(tài)。而在維護模式(即半自動模式)下，只需要狀態(tài)圖中的12個狀態(tài)即能完整描述；清潔模式(即啟動模式)下只需11個狀態(tài)。詳見圖3。基于統(tǒng)一而且標準的狀態(tài)圖生成標準的控制軟件和具一致性的人機界面，可以取得手到擒來的效果。
圖3 PackML完整定義包裝過程的生產(chǎn)模式和狀態(tài)
那么，構(gòu)成每一個狀態(tài)下的動作和功能，PackML又是如何定義的呢？這就是PackML成功的另一個秘訣，詳見圖4。按照狀態(tài)圖編制應用程序可調(diào)用處于三個層級中的不同功能塊。底層是由PLCopen運動控制規(guī)范第一部分所定義的基本功能塊集(通常用固件實現(xiàn))，其上是用PLCopen派生功能塊的方法定義的對包裝過程通用的功能塊，如主引擎功能塊MasterEngine，軸管理功能塊AxisManagement等。這些PackML自定義的功能塊是按IEC 61131-3標準調(diào)用PLCopen運動控制基本功能塊編制程序后，對這些功能性加以封裝所得。這一層一般是自動化供應商的工具箱，體現(xiàn)供應商的差異化，而OEM和最終用戶都使用經(jīng)過標準化的功能塊。再上一層是OMAC為PackML專門設計的專用功能塊，如為切割、密封、罐裝、壓蓋/旋蓋等機械設備控制所需的功能塊，包括卷取/開卷軸(表面線速度恒定模式)、卷取/開卷軸(扭矩恒定CT模式)、張力松緊調(diào)節(jié)控制、配準(registration)修正、分度(indexing)、批計數(shù)器、數(shù)字電子凸輪開關(guān) (PLS)、集合覆蓋(Set Override)、精密送料軸(Jog Axis)、短暫同步(flying Syc)、以動態(tài)齒輪系數(shù)嚙合、面向暫停的運動停止命令等。在這一層次可體現(xiàn)特定OEM廠家的智能特性，在其內(nèi)部標準化；而供應商可以向最終用戶提供樣板，但也可按要求加以調(diào)整。按這三個層級對與控制相關(guān)的功能塊進行定義，既實現(xiàn)了控制編程語言的標準化，確保了按狀態(tài)圖完成實例化的編程過程中提高工程效率和準確性；又能滿足不同廠家對其獨有的訣竅進行封裝達到保護知識產(chǎn)權(quán)的目的。
圖4 PackML按三個層級映射功能塊分類
尤其值得稱道的是PackML定義了互操作性極佳的PackTag通信標簽。PackTag是為包裝機械之間(M2M)以及包裝機械與上位信息系統(tǒng)(如HMI、MES和ERP等)之間進行數(shù)據(jù)交換而專門定義的通信標簽，它為包裝系統(tǒng)的無縫通信提供了一種統(tǒng)一而便捷的途徑。在經(jīng)ISA 88委員會新批準的《ISA 88機械設備和制造單元技術(shù)報告》中，PackTag為用于基本狀態(tài)模型過程元素的數(shù)據(jù)單元提供了一組統(tǒng)一的命名規(guī)則，還為此規(guī)定了數(shù)據(jù)類型、賦值及賦值范圍、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。PackTag有三種類型：命令Tag，用于對設備單元/機械設備的狀態(tài)實施控制；狀態(tài)Tag，用于從設備單元/機械設備取得狀態(tài)信息；管理Tag，用于從設備單元/機械設備取得性能信息。命令和狀態(tài)標簽數(shù)據(jù)包含機械設備和生產(chǎn)線協(xié)調(diào)控制所要求的相互間接口數(shù)據(jù)，或向控制器下裝配方/參數(shù)的數(shù)據(jù)。其中命令標簽數(shù)據(jù)向機械設備的控制程序發(fā)出命令并通過程序執(zhí)行，而狀態(tài)標簽數(shù)據(jù)由控制程序產(chǎn)生和讀取。管理標簽則包含供上位系統(tǒng)進行機械性能分析所采集的數(shù)據(jù)，或者供操作人員監(jiān)控的必要數(shù)據(jù)。
表1 PackTag的類型及其數(shù)據(jù)類型
表1示出PackML的數(shù)據(jù)類型及其對應的PackTag類型。我們不難看到包裝生產(chǎn)線上的各個設備單元/機械設備的模式和狀態(tài)、報警信息、停機原因(也即OEE的數(shù)據(jù))、控制命令和有關(guān)控制配方的參數(shù)都可以通過定義三種類型的PackTag而方便獲得。再對照圖5，從設備單元/機械設備的視角去看PackML的狀態(tài)模型，運用PackTag既可對狀態(tài)進行控制(命令標簽)、對配方及其參數(shù)進行控制和設定(命令標簽和狀態(tài)標簽)，還可以采集不同狀態(tài)下的有關(guān)信息(狀態(tài)標簽)。
圖5 從設備單元/機械設備的視角看PackML狀態(tài)模型
PackML的進一步推廣和發(fā)展
在一次歐洲工業(yè)界召開的《用PackML和OPC UA實現(xiàn)智能包裝》學術(shù)會議上，有人如此評價PackML：“它是一個經(jīng)過充分驗證的獨立的標準；它有一個完善定義的模式/狀態(tài)模型；它提供一個一致性的人機接口；它提供的公用定義通信標簽和專業(yè)術(shù)語是互操作性的堅實基礎(chǔ)；其架構(gòu)具有高度的模塊化。”而從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務的公司則高興地看到PackML為包裝生產(chǎn)過程提供關(guān)鍵業(yè)績指標KPI的潛力(如圖6所示)：機械設備的PLC/工業(yè)PC運用PackTag，通過OPC UA將生產(chǎn)信息和參數(shù)安全地傳輸?shù)竭h程監(jiān)控的云端；在云端進行分析計算和判斷后，生成KPI發(fā)布到移動終端的APP，為相關(guān)的管理人員和工程技術(shù)人員提供即時的服務。
圖6 PackML在包裝行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用中同樣潛力無限
以上還是PackML在包裝行業(yè)的應用推廣，而更值得關(guān)注的是它運用于其它細分行業(yè)的前景和潛力。當前制造企業(yè)面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提出任何資產(chǎn)都要集成、任何資產(chǎn)都要在線的目標；在云賦能、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域都面臨前所未有的挑戰(zhàn)。在這樣的情勢下，要想低成本、高效率地配置工廠層，真正提高生產(chǎn)率，應該選擇什么樣的技術(shù)路線呢？
這表現(xiàn)為如下幾個問題：
①在許多制造行業(yè)中最大也是最直接的挑戰(zhàn)是怎么集成制造生產(chǎn)線，使得不論是老系統(tǒng)改造更新還是新系統(tǒng)設計調(diào)試和投運，都能快速地攤銷其成本并獲得盈利。工業(yè)自動化業(yè)界早已認識到最大的成本來自軟件集成(機械裝備控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集成、與企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換集成、與云應用的集成等)。
②許多制造廠希望提高他們的機械設備的效率，但苦于沒有數(shù)據(jù)；有的制造廠有一些數(shù)據(jù)，但還不足以運用這些數(shù)據(jù)實施差異化；還有些已經(jīng)有了很多數(shù)據(jù)，但不知如何處理數(shù)據(jù)。總之，絕大多數(shù)制造廠處于沒有標準機制的狀態(tài)，無法支撐他們將所采集的數(shù)據(jù)按需進行分析。
可以毫不夸張地說，PackML標準所關(guān)注和側(cè)重的都是許多其它行業(yè)中最終用戶的心聲。因為OMAC開發(fā)PackML的動力正是來自用戶和系統(tǒng)集成商在設法將各種機械設備集成為一個協(xié)調(diào)的系統(tǒng)的過程中，耗費了過多的時間和勞力而效果卻不佳這樣一個事實。其原因在于不同的設備廠家有不同的編程理念和方法、不同的控制邏輯、不同的通信協(xié)議、不同的控制器平臺和操作狀態(tài)，這意味著每臺機械設備有不同的操作過程、培訓、標準和診斷方法。隨著來自不同廠商設備數(shù)量的增加，由此形成的復雜性不是按比例增加，而是呈幾何級數(shù)增加。因此，PackML在開發(fā)之初就充分考慮到：將機械部件集成為系統(tǒng)時一定要做到所見即所得的一致性；這樣才能為機械部件縱向和橫向的集成提供基礎(chǔ)，而不用考慮這些部件是哪個廠家制造的，以及用了什么樣的控制系統(tǒng)硬件。PackML最終實現(xiàn)了在不同種類和不同廠家的機械設備之間提供高度一致性，并在此基礎(chǔ)上建立了機械狀態(tài)的標準集合和控制功能塊的公共集合，為簡化控制系統(tǒng)的開發(fā)、削減系統(tǒng)集成的工作量、減少培訓和操作運行成本提供了可行的條件，從而極大地降低了用戶總的消耗和投入。
PackML從不規(guī)定在所定義的任意一個機械狀態(tài)下的機械操作細節(jié)，換言之就是，只規(guī)定機械設備一共有多少個狀態(tài)以及由一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)的條件，但不規(guī)定每一個狀態(tài)下的功能性。但是，只要有公共狀態(tài)的集合和定義好的標準的PackTag標簽，就完全可以實現(xiàn)對每一個符合PackML的機械設備的監(jiān)視和控制。同理，PackML也通過狀態(tài)機和PackTag標簽使數(shù)據(jù)交換標準化，而不規(guī)定具體從哪個機械獲得數(shù)據(jù)又需要送到哪一臺機械去，或者將數(shù)據(jù)送到HMI還是上位的生產(chǎn)管理系統(tǒng)和業(yè)務管理系統(tǒng)去。PackML不規(guī)定具體的傳輸方法、信息安全、編碼/解碼規(guī)則，也不規(guī)定通信接口和物理介質(zhì)，這就導致OPC UA、TAP/IP和以太網(wǎng)得以進入并發(fā)揮其所長。OPC UA提供安全的通信，承擔通信的授權(quán)（例如使用PackTag的授權(quán)）和數(shù)據(jù)的封裝。OPC UA還提供公共的編碼，PackTag可以由OPC UA進行適當?shù)木幋a和解碼。總的說來，OPC UA為在很大程度上簡化符合PackML的機械與其它機械的控制器、HMI、企業(yè)業(yè)務系統(tǒng)和云服務的集成提供了基礎(chǔ)，詳見圖7。結(jié)論是：OPC UA可以通過實現(xiàn)PackML的架構(gòu)和方法，控制和監(jiān)視任何一類機械裝備，從而解決機械裝備集成所常見的若干戰(zhàn)略性問題。
圖7 OPC UA支撐PackML創(chuàng)建機械設備和外部聯(lián)接性的架構(gòu)
綜上所述，PackML標準和規(guī)范所蘊含的價值遠遠超越了它為包裝生產(chǎn)線解決系統(tǒng)集成問題的初衷。它所開創(chuàng)的理念、策略和方法可以直接推廣到所有的目前因集成不同廠家制造的設備而舉步維艱的應用場景。不僅可以用于食品和飲料生產(chǎn)、以及其他日用消費品如衛(wèi)生紙品的生產(chǎn)，甚至對于汽車生產(chǎn)這樣高度復雜的場景都可以發(fā)揮巨大作用。公平地說，PackML可以推廣到任意制造行業(yè)解決設備集成問題，而PackML和OPC UA的進一步組合有助于解決所有制造廠在云賦能、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域所面臨的戰(zhàn)略挑戰(zhàn)。充分認識這些經(jīng)過時間和實踐充分驗證的技術(shù)，將對眾多行業(yè)降低集成成本、提高生產(chǎn)率，簡化數(shù)據(jù)采集和上云，向數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能服務商業(yè)模式轉(zhuǎn)型帶來無盡的應用潛力，產(chǎn)生難以估量的巨大價值。
作者：彭瑜，1960年畢業(yè)于清華大學動力系。上海工業(yè)自動化儀表研究院教授級高級工程師、PLC open中國組織名譽主席、中國智能制造綜合標準化工作組專家、工信部智能制造標準化體系建設工作組專家、中國科技自動化聯(lián)盟首席專家顧問。長期從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。自1996年后，研究領(lǐng)域集中在PC控制、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、MES，以及現(xiàn)場設備的無線通信；近些年主要研究智能制造相關(guān)的自動化技術(shù)。憑借在發(fā)展我國工程技術(shù)事業(yè)方面做出的特殊貢獻，1993年起獲國務院特殊津貼。
