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物聯網：以OPC UA 為主的機台快速連線工具

刊登日期：2021/05/01

摘要

智慧製造與智慧機械以OPC UA架構為主的資訊模型，在現代化的智慧工廠已經成為不可或缺的重要角色。工業4.0的核心概念如果沒有數據融合，就沒有辦法管理；若由整廠或系統整合的觀點來看待連線與通訊協議間的轉換，通訊界面往往是多元且牽涉到極為複雜的系統，必須有效且快速的將數據來源Transfer映射到正確的流向，同時要能維持穩定性與管理維運。本文將介紹以OPC UA為主的商業用聚合平台，比較各種實現software-based communication platform與 middleware solutions的方案，另外將針對德國ZVEI所發佈的資產管理殼（Asset Administration Shell, AAS）與OPC UA商業用聚合平台技術的整合進行介紹，說明快速建立OPC UA資訊模型的可行策略與實施方案，並簡述其實施成果。

Abstract

The information model of smart manufacturing and smart machinery based on OPC UA architecture has become an indispensable and important role in modern smart factories. There is no way to manage the manufacturing processes without data integration in Industry 4.0. The communication interfaces are often diverse and involve extremely complex systems used to process protocol conversions and communications. The communication must be effective and quickly map the data source to the correct flow direction. This article will introduce the commercial aggregation platform based on OPC UA, and compare various implementation solutions to software-based communication platform and middleware. This paper will also introduce the Asset Administration Shell (AAS) released by German ZVEI and the aggregation platform based on OPC UA. Feasible strategy and plan for rapid implementation of the OPC UA information model will be introduced as well.

前言
工業4.0數位革命時代，智慧工廠必須以數位方式重新定位，新建廠與舊系統其實現的智慧製造解決方案不計其數。不論是選用通用平台產品或是機聯網解決方案，其最終目的都是為了實現企業內部，廣泛且靈活的水平與垂直資訊融合。OPCUA通訊統一架構為IT/OT設備聯網、生產管理、智慧化功能帶來了眾多優勢，但同時帶來了其他的挑戰，通常也需要大量的投資和合作夥伴。本文借鏡國內外先進智慧製造系統，採用一致性地計劃啟動和實施過程，當面臨越來越複雜的新舊通訊系統，此時系統廠商( SI )的開發人員，如何降低軟體的開發及維護成本，轉移至產業界進行系統維運，保持穩定性且有效管理變成一大考驗。此快速連線工具的導入不是減少工作量，而是用一致性又易於維護的方法，提供一個簡化的開發環境，通過提高自動化的程度來優化生產過程，並減少發生錯誤的可能性，以提供改善內部的解決方案和良好服務流程。
自德國“工業4.0”以來就提出了資產管理殼Asset Administration Shell（AAS）作為技術發展的核心概念[1-4]，其主要目的是為了最大程度實踐智慧製造內系統的資訊交換，以增強資產的互通性，並隨著各大公司、組織和研究機構，例如：Bosch、Festo、ZVEI等進行場域驗證的實際應用。工業4.0標準服務以AAS資訊模型發展為重點，包括提供更多彈性化服務但可約束的規範，並且遵循完全開放式的資料標準化交換，涵蓋軟體、軔體、電路圖、機構圖檔、手冊等所需要的『版本托管』框架，以提供智慧製造的生命周期範圍。為此，資產管理殼包含特定產品的屬性及功能，可通過這種標準化形式的建構，來符合工業4.0框架以進行不同產品之間的通信以及互操作性，並以OPC UA統一架構為主的AAS資訊模型。
市售以OPC UA為主的通用平台產品介紹
工控領域的低代碼平台(low-code)崛起開始於2018年，當時西門子宣布以6億歐元（約7億美元）來收購低代碼應用開發領域的領導者Mendix公司 [5-6]。基於Mendix軟體即服務(SaaS)的業務模式，西門子進階成為應用平台即服務(Application Platform as a service，aPaaS)。其顯著的效益為開發成本降低及時間的縮短，因為簡單上手、不需要很多專業程式開發的技術人員，人力成本也大幅降低；其次，後期的維護及修改也比傳統代碼式的開發更加便捷、快速，成本也更可控。實際案例為施耐德電氣在應用了低代碼平台後，僅20個月內就推出了60款應用，將開發過程加速了2倍，並在第一年計畫內就節省了650天的工作量。
低代碼平台往往採用架上的商用軟體（Commercial-off-the-Shelf，COTS）模式，或者稱之為”off the shelf”是「現成的」而不是「客製化的」，意指內建工具已具有開放式的標準定義接口的軟/硬體產品，並且可以在市場中購得。其發展讓個人或企業組織不需要為特定功能，撰寫或重新開發自己的軟體程式。
本文將介紹OPC UA相關的架上商業用軟體，低代碼平台的採用，及目前可為企業帶來的效益:
‧迅速及優化：可縮短應用程式開發週期，大幅度降低成本，並且提升了效率。
‧視覺化簡單：技術門檻降低，讓業務人員可直接操作配置系統。
現今主要的製造系統除了OPC UA以外，由整廠系統觀點來看，還涵蓋了其它各式各樣的通訊界面，當面臨到龐大、多元且系統複雜的連線通訊協議時，各子系統間往往需要更多種通訊協議的相互融合或轉譯，不論上層Top floor (例如：ERP、PLM、MES、APS、HMI/SCADA、Database、大數據AI/ML系統、混合雲、RESTapi、MQTT…等) ，或是底層的Shop floor (例如：PLC Drivers、CNC MTconnect、Robot、Modbus、工廠現場總線、非標準設備、廠務與建築管理、儀表設備、其他控制器驅動、DCS和RTU…等 ) 都是通訊系統間現實存在的議題。本文將以下列幾種常見可支援OPC UA匯集服務的軟體平台和硬體方案 [7-15] 作為介紹：
（1）InRay公司的OPC Router軟體
德國的OPC Router v4.19軟體以低代碼平台架構，實現於統一的開發環境中，如同交響樂團的總指揮家，組織並串聯各個子系統，不同的子系統可透過多樣化的協定如：Barcode、RFID、JSON/XML、REST、Database、OPC UA/DA、DDE/Excel、ERP…等，其模組化擴充的Plug-in功能與協議多達40幾種，可進行各種過程資料的統一調度，如圖1所示。其用戶端甚至可自訂C# 的客製化Plug-in腳本。整理其優點如下：
開發人員可安裝試用版為全功能，每次限時2小時，專案可以透過匯出/匯入到工廠端。
‧不限制點數，不過OPC router僅支持安裝部署在Windows作業環境。
‧以滑鼠完成Transfer Object設定，透過拖拉放方式Defining Connections (Projecting)綁定資訊流動向。
‧以Plug-in模塊化設計與圖形化介面，集成在單一管理軟體介面中，Projecting以微服務方式存在。
‧所有數據可集成到中間件，提供連線樣板、訂閱/註冊、自建屬性、方法、事件和資料驅動模型的派發。
‧ 基本版包含OPC UA Server/DA Client約1790歐元，使用者可自由選配Plug-in模組。
‧ 可支援cluster叢集。