彭瑜：OT 与 IT 融合的典型案例 OT IT 自动化 包装 MES HMI PLC

实际上远在OT-IT融合的概念形成以前，工业界很早就在探索如何把工业控制诸多的关键技术（如控制程序的模块化和标准化、不同控制器之间的通信、HMI的画面标准化等）与运用IT的生产管理关键技术（如MES等）结合得更紧密。其中最为典型的案例非OMAC组织开发的PackML莫属（见图1）。

图1  PackML所展示的OT-IT融合的基本概念

OMAC（Organization for Machine Automation & Control）是美国国际自动化学会ISA下的一个分支机构。美国国家标准和技术研究院（NIST）、美国制造技术协会（AMT）也是OMAC的会员单位。在长达七、八年的开发过程中，OMAC的工作特点鲜明，

归纳下来主要是三点：

1）市场驱动力：包装业务发展和包装要求尽可能完美结合；

2）方法论：充分利用现有的工业基础技术标准；

3）目标：开发一种适合包装行业的系列标准，并在此基础上开发出工具性软件件平台，其适应性和灵活性足以使整个行业中的装备制造商、最终用户、系统集成公司和技术提供商都能受益。

为了适应市场对包装业务发展的需求（客制化规模生产，多品种小批量，……），需要开发一揽子的综合技术解决方案，尽可能的实现用较少的包装生产线满足多品种的包装，同时还具备执行精益生产管理的能力。这是PackML开发的背景需求，其主要支持者是可口可乐、宝洁、雀巢等对包装有极大需求的公司。这是一种非常典型的以价值链和价值流为导向的总体规划和顶层设计。

PackML系列规范是综合运用现有相关工业标准和规范，解决包装行业中所有的利益相关方（从最终用户、系统集成商、机械制造商到技术提供商和技术服务商）共享机械控制、各机械间以及设备层与上位管理和监控层的通信、包装生产过程的运营管理诸方面的软件规范。在此基础上开发的针对包装行业的工具性软件平台，业已获得许多实用的验证，并在美、德、日本等国获得广泛应用。近些年来在国内也受到一定重视和关注。

OMAC在包装行业OT-IT融合获得的成效清晰地告诉我们，遵循这样的技术路线使自动化技术和信息技术真正为实体经济发展做出有效的贡献。迄今为止，我们还很少看到惠及面如此之广的全行业整体解决方案。更值得注意的是，它的影响已经扩展到许多行业，特别是运用机械设备形成流水生产线的行业。最近德国有识之士评价指出：PackML作为机械设备集成的策略解决方案，为工业机械系统提供了建模标准，并为任何一类的机械装置提供有效的控制、监控和管理的架构（参见图2）。

将它与OPC UA结合起来形成的机械装置集成的解决方案，定将为发挥OT-IT融合的巨大潜力奠定技术基础。显然，PackML的成功明确地向自动化的从业人员、智能制造和智慧工厂的开拓者和践行者，以及为工业4.0的辉煌愿景迈出坚实步伐的先行者，展现了开发行业综合解决方案的典型意义和实践魅力。PackML的实践为实现高效、低成本地把不同制造厂生产的机械设备集成为控制、监控、生产管理一致性极佳的产线，探索出一条可行的道路。

图2  PackML和OPC UA为机械自动化创建联接性框架

PackML系列规范充分利用了现有的工业标准：

工控编程语言标准  IEC 61131-3

运动控制规范  PLCopen运动控制规范

机械功能安全规范  PLCopen机械功能安全规范

功能安全标准IEC 61508

管控一体化标准

批量控制标准 IEC 61512（ISA S88）

企业信息控制系统架构 IEC 62264（ISA S95）

通信标准  IEC 62541（OPC UA）

在此基础上PackML开发工作组已经完成的工作是：制定主要用于包装工业控制的国际标准以解决编程、联网和最佳实践三大技术关键。

在PLCopen的运动控制规范和ISA S88批量控制规范的基础上，又嵌入了PLCopen开发的机械功能安全规范和OPC UA工业以太网集成的软件接口规范，开发了适用于包装过程的编程语言PackML、软件平台PackSoft和连接包装机械控制系统的接口平台PackConnect。

PackML 的状态模型（见图3）以标准化的方式表现了制造单元/机械设备的状态模型。它用17个状态描述了包装生产的全部过程和生产模式，用于对制造单元/机械设备的状态进行可视化和控制。状态图的语法是用命令（外部命令和网络命令）激活状态去执行某种动作，用状态完成（state completed,SC）执行状态转移、进入等待或执行状态。

PackML状态图的设计为协调一致的状态转移、协调一致的信息交换、统一的操作员界面(HMI)打下基础。值得注意的是PackML只定义状态图的状态，但并不定义每个状态的功能性，这就为不同制造厂在具体实现方面体现技术差异性给足了空间，同时又保证了整体设计和操作运营的一致性。

此外，Simulink已为PackML的状态图仿真提供了软件工具，还可通过它提供的自动代码生成工具Simulink PLC Coder（IEC 61131-3），或Simulink Coder(C/C++)将经过仿真验证的流程转换为ST语言代码或C语言代码。

图3  PackML的状态图

PackML将控制系统的运动控制功能块划分为3个层次（见图4）：

• PLCopen运动控制规范定义的功能块
• 用户定义的常用功能块
• 用户定义的专用功能块

应用程序可按控制要求调用这三类运动控制的功能块。

PackML定义的包装行业专用的功能块包括：卷取/开卷轴（表面线速度恒定模式）、卷取/开卷轴（扭矩恒定CT模式）、张力松紧调节控制、配准（registration）修正、分度（indexing）、批计数器、数字PLS(电子凸轮开关)、集合覆盖（Set Override）、精密送料轴（Jog Axis）、短暂同步（flying Syc）、以动态齿轮系数啮合、具有方向暂停的运动停止命令（Motion Command Stop with oriented halt）等。

图4  PackML的应用程序调用运动控制功能块

PackTags是为包装机械之间（M2M通信）以及包装机械与上位的信息系统（如HMI、MES和ERP等）之间进行数据交换通信而专门定义的通信标签，它为包装系统的无缝通信提供了一种统一而便捷的途径（见图5）。

由于它将PLCopen规范的特性和OPC UA的结构完美组合，使其数据类型符合规范同时结构清晰，用户只要采用标准的以太网，通过OPC UA便可完成信息数据的通信和交换。在经ISA 88委员会新批准的ISA88机械设备和制造单元的技术报告中，PackTags为用于基本状态模型的过程元素的数据单元提供了一组统一的命名规则，还为此规定了数据类型、赋值及赋值范围、数据结构等。PackTags有三种类型：命令Tags（前缀为“Command”），状态Tags （前缀为“Status”），管理Tags （前缀为“Admin”）。

图5  用作通信数据交换的标签PackTags

PackML 还可以用来实时统计综合设备运行效率OEE，为用户提供了可计量的运营效益。

综上所述，我们可以得出以下结论：

1、PackML所体现的OT-IT融合，不是为某个具体个案给出的解决方案，它是一种为细分行业给出的完整的解决方案。之所以称得上完整，是因为从机械设备和制造单元的运行模式和状态图建模到PLC的应用程序设计和不同PLC之间的通信和数据交换，再到与生产监控和管理系统的数据通信实现了语义层面的可互操作性，都建立了相应的经过多年实际运行验证的规范。这一种为细分行业开创的由上层管理到中间的通信，再到底层的运动控制的贯通所体现出的OT-IT融合方式可以说是史无前例。

2、从PackML的整体架构和设计看，其OT-IT的融合已经很好地融入和体现了包装行业的工程技术ET。

3、PackML尽管是为包装行业的机械设备集成设计的架构，涵盖了机械设备的横向集成和运行管理的纵向集成所需要的各种功能性，但是其概念、策略和架构完全可以适用于几乎所有的机械设备集成系统，特别是所有运用顺序控制工艺的产线。只要另行定义运动控制的专用功能块和具体的诊断系统，完全可以应用到压铸、压力加工（锻压等）、注塑等机械控制中。

4、当一条产线为提高产能和平衡生产节拍，需要增添一台或几台设备的时候，其最大的成本不是机械设备本身的价值，而是软件和通信集成、与其它设备的集成、与运营管理系统的集成和与云系统的集成所需要的成本。PackML多年来的实践证明，它的架构、理念和方法可以在很大程度上降低软件和通信集成的成本，加快集成的速度。

PackML已在美、欧、日获得广泛支持，Rockwell、安川、三菱电机、OMRON、贝加莱、倍福等均已在自己产品中应用。国内也在科技自动化联盟的组织下成立工作组开展了PackML的实践推广活动。可以预见，PackML将在OT和IT融合的道路上不断深入，以低成本和自下而上的特色在市场上取得更多成功。

我们认为，PackML主导的自上而下的柔性控制机制正是我国目前急需解决的短板。尤其是我国许多企业将智能制造理解为自动化的简单提升，并且已经进行了大量建设的现实情况下，后续的改进和提高完全可以借鉴PackML的思路和理念。另外，我们还应该我国在制定面向行业的标准规范，以及组合应用现有的各种标准规范的能力和意识，与美国、德国等还有很大的差距，我们必须迎头赶上。

作者简介

彭瑜，教授级高工，上海工业自动化仪表研究院技术顾问，PLCopen中国组织名誉主席，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。