演讲人：

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

智能制造与OPC UA

刘丹 博士 Dr. Liu Dan

2018年7月 • 深圳 • OPC DAY

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

ITEI 单位介绍

• 国家智能制造标准化总体组副组长

• 国家人工智能标准化总体组副组长

• 科技部“中德智能制造科技合作”秘书处

• 中德智能制造/工业4.0标准化工作组秘书处

• 国家中小企业公共服务示范平台

• 工信部产业技术基础公共服务平台

• ”数字化工厂与测控自动化”国家级标准测试验证平台

• “加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展”专家委员会秘书处

• OPC/OPC UA、PROFINET、PROFIBUS、HART、MODBUS、POWERLINK、WIA-PA、KNX 认证测试实验室

• SAC/TC124全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会

• SAC/TC338全国测量、控制和实验室电器设备安全标准化技术委员会

• SAC/TC124/SC4 工业通信（现场总线）及系统标准化技术委员会

• SAC/TC124/SC10 系统及功能安全标准化技术委员会

目 录

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

误区及我国智能制造实施路线

典型智能制造参考模型与实现

OPC UA在智能制造中的应用

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

企业调研

调研国内外企业百余家，举办智能制造主题的国内外国际论坛7次、 专题交流30次

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

1. 离散制造业的特性导致生产计划调度困难，生产过程是断续的，随零件不同而生产工艺过程不同，零件品种规格多；

2. 生产对象不一样，管理需求不同，分为铸造车间、锻造车间、热处理、机械加工车间、装配车间等；

3. 许多企业未实现MES，信息化程度较差，生产派工、过程控制、资源管理、质量检测等还依靠人工方法；

4. 生产线网络化不高，“信息孤岛”随处可见；5. 底层自动化程度差别大，设备种类繁多，机器人、SMT、数控机床、加工中心等；6. 系统集成非常困难，信息系统接口不开放，自动化设备接口不统一；7. ……

存在问题

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

避免误区

目的 提升质量、提高效率、降低成本、降低能耗、缩短周期愿景 制造系统的自感知、自适应、自组织、自决策 …核心 规划、设计、生产、管理、服务等各制造环节的智能化特点 数字化、网络化、智能化新业态 智能生产、网络协同制造、大规模个性化定制 …

……

无人化 = 智能制造？智能制造在于人、信息系统、物理系统的协同，无人化不是目的。仍需要人工智力参与政策解读、法规约束、知识积累等，现阶段机器无法替代

自动化+软件 = 智能制造？自动化系统、工业软件系统的集成与协同，并体现先进工艺技术、先进管理理念，进行数据

分析，才能实现生产过程的快速有效的运行管理

互联网+大数据 = 智能制造？离开物理的实物设备和生产过程，互联网产生什么？大数据是什么？

智能制造

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

实施要点（针对制造本体）

1. 产品设计和生产工艺的数字化仿真2. 现场反映设备、生产、物流、质量情况的数据要实时上传3. 物料、产品的标识与溯源，并建立高效物流系统4. 质量建模，在关键质量点布置在线检测设备，实现质量的综合管控5. 有效实施MES系统，例如：根据生产实绩数据优化排产和调整资源，并

与ERP、自动化系统无缝集成

6. 物流、生产运行、产品设计、企业管理等各子系统协同7. 在生产数据分析基础上，实现优化排产、关键质量点改进、设备预测性

维护、能效优化

8. 借助互联网与大数据分析，对产品进行质量跟踪；采集设备现场运行数据，提供故障诊断和远程运维服务

9. 持之以恒建立企业生产资源数据库——设计、工艺、供货商、产品

10. …

补齐自动化与信息化的短板

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

我国工业2.0、3.0主要解决问题

个性化定制客户参与设计

柔性制造适应大规模

个性化定制生产

横向集成企业间及企业内部制造资源配置

设计、生产与检测数据一致

纵向集成不同层面系统、设备之间信息交互

业务流程与生产过程集成

安全一体化管控功能安全与信息安全

监控与诊断生产过程可视化设备运行可诊断

能源管理采集关键装备的能效数据

进行能效管理和分析

质量在线检测在线采集质量控制所需的关键数据

根据数据，分析优化生产工艺

产品追溯产品和关键部件具有唯一标识

可追溯生产过程的所有信息

产品全生命周期管理规划、设计、工艺、生产、销售、服务、回收

虚拟仿真产品设计、生产工艺、

生产节拍的仿真验证

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

工业4.0——新一代信息技术引领

目 录

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

误区及我国智能制造实施路线

典型智能制造参考模型与实现

OPC UA在智能制造中的应用

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

各国参考模型德国工业4.0参考模型 RAMI4.0

美国智能制造生态系统SMS日本工业价值链参考架构 IVRA

中国智能制造系统架构IMSA

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

中国智能制造系统架构IMSA

生命周期维度生命周期是指从产品原型研发开始到产品回收再制造的各个阶段

系统层级维度系统层级是指与企业生产活动相关的组织结构的层级划分

智能特征维度智能特征是指基于新一代信息通信技术使制造活动具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等一个或多个功能的层级划分动

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

中国智能制造标准体系结构

2018版较2015版增加删除修改

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

德国工业4.0参考模型

价值链建模

工厂功能建模

IEC 62890：工业过程测量控制和自动化系统和产品生命周期管理IEC 62264：企业控制系统集成IEC 61512：批控制

建模方法

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

工业4.0管理壳及OPC UA实现

• 人、机、料等资源的数字化表示——数据字典

• 以及这些资源间的连接

对外可访问的接口

OPC UA实现信息建模并提供统一接口

业务平台应用平台

对外展示的信息

技术对象的虚拟表示 <====> 工业4.0管理壳 <====> OPC UA实现

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

全生命周期的工具支持

IT服务架构

不同来源的组件实物, 例如：电机1

管理壳 管理壳 管理壳

实物, 例如：电机2生产现场

资源库

实物, 例如：接线端子

数据和功能的访问

标识

工厂全生命周期

类型

设计 使用/服务实例

生产 使用/服务

符合工业4.0的接口/数据格式

— 符合工业4.0的通信

（样机） （产品）

实物通过其管理壳在资源库中虚拟结合

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

日本工业价值链促进会IVI：构建IoT系统

活动视角

计划 执行 检验 改进计划

执行检验

改进

人员

过程

产品

工厂

资产视角

质量

成本

交付

环境

根据参考模型形成概念

从生产现场梳理实际问题

使用IVI建模器形成应用案例

实装逻辑资产集成

数据属性关键词关系

用例操作信息物

情节场景

参与者活动

概念问题手段期望

基于用例指导企业如何实现

AS-IS/TO-BE分析构建业务场景

构建实际的系统

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

日本IVI：互联互通的生产制造平台

平台WG

平台通用架构

范围/术语/功能模型/实物模型/信息模型/数据模型测试用例

平台参考模型

制造人员

合作场景

需求

参考

设备规约

设备供应商处理/提供

制定规约

选择合适的平台

平台规约

业务规约

数据规约

连接规约

业务情节WG

生产现场是所有起点

设备规约

用户问题 平台

matching生产工程信息

质量管理信息

生产计划与控制

中小企业一体化信息

供应链管理

预测性维护 维护服务

管理

资产和设备管理

供应商解决方案

质量成本

效率

能耗 周期

目 录

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所

误区及我国智能制造实施路线

典型智能制造参考模型与实现

OPC UA在智能制造中的应用

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考智能工厂互联网络层次结构

跨层次网络互联

跨层次端到端数据交换

IT网络

OT网络

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考对数据的迫切需求

实施智能制造，数据是基础

采集大量生产现场数据，是实现精准运行

管理和企业协同制造的前提；

管理软件与智能制造装备之间的互联互通

数据传输

对数据进行一致解析，了解含义

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考存在的问题

制造装备来自不同制造商，数据接口“信息孤岛”限制了信息交换，继而

约束了应用领域的拓展。如：数控机床、机器人、SMT等；

装备的通信接口开放，可实现集成，但无法形成标准化、可复用的集成解

决方案，造成人力物力时间的浪费。

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考解决方案——信息模型

信息模型？

信息模型是对物理对象的数字化，可反映实际物理对象和数据的关系

信息模型使得不同应用程序对所管理的数据进行重用，可实现对象映

射，与现有集成技术的映射，如OPC UA等

可形成标准化的通用集成解决方案，信息模型可通过标准化、程序化

的形式进行固化

信息模型应定义三个层面的内容：

要描述哪些对象和数据

如何组织对象和数据

数据格式

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考通用解决方案

智能制造专项《数字化车间集成与互联互通标准研究和验证平台建设》成果

信息模型 + 描述格式 + 通信驱动形成通用集成方案

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考总体思路

定义智能制造装备的通用信息模型（通用

建模规则）

基于通用信息模型，建立具体制造装备的

信息模型，如：数控机床、机器人等；

规定智能制造装备信息模型描述格式

（XML）

标准实际应用：设备制造厂商提供设备描

述文件

（信息模型+描述格式+通信）形成通用

集成方案

注：通信协议是特定的，实施过程中可开发信息模型映射的中间件

通用信息模型

•层次化•可扩展•可选择

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考具体制造设备信息模型示例

数控机床信息模型（草案）

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考基于OPC UA的数字化车间网络架构

智能制造专项《工业控制网络标准研究和验证平台建设》成果

OPC UA为数字化车间设备层、控制层和车间层网络的互联互通提供统一解决方案

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考ITEI 智能制造综合实验平台

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考OPC UA在数字化车间中的应用

嵌入式设备

控制器

移动终端

工作站

服务器

企业业务

OPC UA能连接从设备层到企业层的各个层级：OPC UA以其开放性和强大的建模能力，不仅能像传统SCADA那样采集设备的实时数据，也能把物料、工单、质量等和生产相关的所有数据集成起来。

设备实时数据

物料数据

质量数据工单数据

源自

机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）

思 考OPC UA对云端的支持

OPC UA底层基于TCP或

HTTP(S)协议，跨网络，

跨防火墙，适合基于

Internet的数据传输

源自

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