基於OPC UA架構之機器視覺概論

摘要：VDMA在機器視覺檢測標準上已耕耘多年，並且與OPC UA除了在機器視覺領域上的合作外，其他行業包括工具機、塑膠成型機、機器人自動化、空壓機與真空技術、電子自動化等都積極的將形式化的標準以OPC UA之架構進行建模實現。OPC UA 視覺系統配套規範自2018年底釋出之後獲得廣泛的討論，雖只是第一部分的草稿，但已將機器視覺的最重要的配方管理、組態管理及檢測結果管理做詳盡的紀載，並系統化的建構出可在未來IIoT的工廠產線上運作的模型。本文針對OPC UA 視覺系統配套規範做重點式的介紹，包含OPC UA 視覺系統涵蓋之範圍、資訊模型定義、視覺系統配套規範未來發展等內容進行描述。
Abstract：VDMA has been working on machine vision inspection standards for years. Besides, VDMA and OPC UA are working together to create OPC UA based information models to support a wide range of application domains including machine tools, plastic molding machines, robotic automation, air compressors, vacuum technology, electronic automation, etc. The OPC UA Vision Companion Specification is designed to enable camera systems to be easily and securely connected to controllers and IT world. Although only the first part of the draft has been published, the most important functions such as recipe management, configuration management and result management of machine vision have been specified. This paper introduces this information model for machine vision. The OPC UA vision system, definition of the information model, and future development plan of vision system companion specification are also introduced.

關鍵詞：工業務聯網、機器視覺、開放平台通訊-統一架構
Keywords：Industrial internet of things, Machine vision, OPC UA

前言
工業物聯網（Industrial Internet of Things, IIoT）是指物聯網（Internet of Things, IoT）在工業部門和應用中的擴展和使用。IIoT 專注於機器對機器（Machine to Machine, M2M）通訊、大數據和機器學習，使工業與企業在運營中具有更高的效率和可靠性。IIoT涵蓋工業應用、工業機器人、醫療設備和軟體定義的生產過程。IIoT超越了一般物聯網中物理設備與消費設備的網絡互聯行為。IIoT與眾不同的是訊息技術（Information Technology, IT）和操作技術（Operational Technology, OT）的交叉。OT指的是操作過程和工業控制系統（Industrial Control Systems, ICS）的網絡，包括人機介面（Human Machine Interfaces, HMIs）、監控和資料擷取（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）系統、分散式控制系統（Distributed Control Systems, DCS）和可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controllers, PLC）；IT和OT的融合為工業提供了更多的自動化和最佳化系統整合，以及更好的供應鏈與物流可視化。
透過使用智慧感測器和驅動器以及遠端訪問和控制，可以更輕鬆地監控和控制工廠運營中的物理基礎設施，例如農業、醫療保健、製造、運輸和公用事業。在第四次工業革命（稱為工業4.0）的背景下，網絡物理系統(cyber-physical systems, CPS)和生產過程在大數據分析的幫助下進行資料交換，成為IIoT不可或缺的組成部分。來自感測器與其他訊息來源的及時數據有助於工業設備和基礎設施的“決策”，並提出見解和具體行動，機器就能進一步承擔並自動進行先前工業革命無法處理的任務。在更廣泛定義下，IIoT對於相互連接的生態系統或環境相關的案例至關重要，例如城市如何成為智慧城市，工廠如何成為智慧工廠。
智慧設備與機器之間資料擷取和傳輸的一致性為工業和企業提供了許多成長機會。例如，資料允許工業和企業了解供應鏈中的錯誤或效率不佳的問題，並立即指出這些問題從而推動營運和財務方面的效率。適當整合IIoT還可以最佳化資產的使用，預測故障點甚至可以自動觸發維護流程。通過連接智慧設備，企業可以更快地收集和分析更多數據，不僅提高可擴展性和性能，還可以彌補生產廠房和總部之間的差距。整合IIoT可以使工業更準確地了解其運營方式，並幫助他們做出明確的業務決策。
機器視覺系統長久以來為現代自動化工廠除生產設備外必備的品管設備之一，機器視覺系統本身就具備智慧化的基礎，要與各設備連線整合為IIoT架構的條件不外乎就是增加各種通訊整合、大量資料分析、自主診斷的機制與回饋、參數管理等功能，目前德國機械設備製造業聯合會(VDMA)於2018年6月已釋放出以OPC UA為架構定義出視覺系統的配套規範(Vision Companion Specification)，VDMA 40100，於同年11月又釋放出Part1草稿[1]，包含控制、組態管理、配方管理、結果管理等，本文於下一章節進行介紹。
OPC UA視覺架構
本章節首先簡單介紹OPC UA在工業4.0中扮演之角色，接著說明視覺系統之OPC UA配套規範架構。
1.OPC UA簡介
開放平台通訊(Open Platform Communication, OPC)是一系列工業電信的標準跟規格的統稱。此規格定義流程控制與製造自動化的應用程式物件(Objects)、介面(Interface)、方法(Methods)的標準來達到協同運作的目的，定義不同廠商的控制設備之間如何即時傳輸工廠資料。早在 2015年 4 月，工業 4.0 參考架構模型(RAMI 4.0)在通訊層與訊息層間實施方面僅推薦使用符合 IEC 62541 標準的 OPC 統一架構(Unified Architecture, UA)如圖1所示。OPC Foundation 國際組織提出的OPC UA協定，基於標準的網路架構來建構，如TCP/IP、HTTP、Web Sockets，因此可整合現有工廠設備與應用系統，如製造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)、企業資源規劃(Enterprise Resource Planning, ERP)等，是新世代工業自動化互通標準。OPC UA為定義工業M2M(Machine-to-Machine)通訊協定，可用Java、微軟.Net、C語言實作，與之前OPC版本差別在於不侷限於使用微軟的Windows平台。UA把既有的OPC介面與新技術(如XML、Web Service)的功能結合來支援高階MES、ERP、資料採集與監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA)、人機介面(Human-Machine Interface, HMI)，甚至智慧型手機、Maintenance system、網頁瀏覽器等。OPC UA架構提供一種以標準方式建構和公開供應商定義資訊的簡便方法，並且所有的OPC UA客戶端都能搜尋且使用供應商定義的訊息，意指OPC UA用戶可由通用的可視化歷史數據得到一定的受益。OPC UA應用的全部範圍如圖2所示。此外，為了交換數據，OPC UA 結合兩種機制來實現各種場景