OrangeBOX-面向邊緣計算的實現(xiàn)

--為現(xiàn)有工廠升級提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案

貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司 宋華振

工業(yè)4.0時代老工廠怎么辦？

顯然，工業(yè)4.0所謂的技術都是適合于新建工廠項目！就比如說新的控制器都是有標準以太網(wǎng)、OPC UA的軟件接口的，但是，工業(yè)4.0總不能把原有的工廠都給拋棄了吧？那些投資千萬、億萬的大量工廠原有設施和設備仍然在為企業(yè)不斷的賺取利潤。

老工廠（Brownfield）

新工廠（Greenfield）

圖1-老工廠與新工廠同時存在

老工廠存在很多問題，影響系統(tǒng)的互聯(lián)：

（1）早期的設備根本沒有總線接口，即或是總線技術已經發(fā)展了超過30年，但是，在過去的很多年里，總線也并非是標配于設備和產線的；

（2）同家公司的系統(tǒng)也無法保證其總線的兼容性，包括總線的不同版本、針對不同應用場景的總線類型都會有差異。

（3）總線之間也欠缺互聯(lián)的統(tǒng)一接口，不僅要實現(xiàn)互聯(lián)也要實現(xiàn)互通與語義互操作，F(xiàn)DT/DTM、DDS、XML腳本都被應用于實現(xiàn)互操作，即使今天統(tǒng)一到OPC UA下也并非是都有實現(xiàn)。

因此，在工業(yè)4.0/智能制造的現(xiàn)實推進過程中，實現(xiàn)互聯(lián)互通與語義互操作尚是件很困難的事，更不用說不同的行業(yè)所采用的不同信息模型，不同的行業(yè)需要不同的應用數(shù)據(jù)和使用不同的數(shù)據(jù)分析模型。

因此，如果今天有人去定義所謂的工業(yè)4.0工廠看來是有點操之過急。

OrangeBOX為邊緣計算而實現(xiàn)的解決方案

為了實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT來解決數(shù)據(jù)采集、傳輸與應用，越來越多的工業(yè)企業(yè)客戶接受“邊緣計算”（Edge Computing）這一理念，希望通過邊緣計算在云與工廠之間建立一個服務于工廠本身的應用與基礎架構，當然，它借助于開放的互聯(lián)網(wǎng)技術來降低其部署成本，但提高響應能力與安全性。

我們以圖2來說明Orange Box的角色—Orange Box并非是一個具體的產品，而是一個解決方案，它針對老工廠實現(xiàn)采用以下幾種方法：

（1）現(xiàn)場沒有總線，采用直接的I/O物理線路連接來實現(xiàn)，豐富的X20 I/O模塊支撐；

（2）支持總線的，則通過現(xiàn)場的總線控制器來連接（Modbus、CAN、Profibus等不同的模塊）；

（3）有以太網(wǎng)支持OPC UA可以直接訪問，OPC UA本身支持TCP/IP的連接。

圖2-采用OrangeBOX實現(xiàn)邊緣計算的架構

Orange Box由一個控制器和貝加萊mapp技術預配置軟件組件mapp所構成。控制器可以通過其I/O通道或現(xiàn)場總線連接從任何機器中收集操作數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)中，mapp會生成并顯示OEE及其它KPI值，也可以通過OPC UA與更高層系統(tǒng)共享信息。

OrangeBOX用來解決哪些問題？

Orange Box的目的是從車間獲取與生產相關的生產數(shù)據(jù)，并利用不同的mapp功能塊，例如：

（1）OEE：對于工廠而言，OEE是最為關注的數(shù)據(jù)，通過對生產的幾個要素數(shù)據(jù)的采集，工廠可以完全關注到生產的運營效率指標以及如何改善的路徑。

圖3-OEE的計算

圖3，OEE的計算包括了可用性、生產運營效率、質量，共同構成OEE的計算。

（2）能源：監(jiān)測能源消耗有利于對成本進行評估和優(yōu)化。

（3）審計等功能對整個生產過程的數(shù)值進行評估，實現(xiàn)生產過程的透明化，并將評估好的數(shù)據(jù)能夠通過標準接口 / 數(shù)據(jù)庫，尤其是在制藥工業(yè)、食品等需要審計追蹤功能的行業(yè)。

Orange Box的特點：

（1）易于使用的技術：任何技術人員都能輕易操作Orange Box，這是參與Orange Box研發(fā)的專家意見。通過貝加萊的Mapp技術，我們把在智能手機的世界里隨處可見的“App”原理投入到工業(yè)領域內。mapp采用了適用于工業(yè)4.0的模塊化應用技術，在簡化程序開發(fā)復雜度的同時大大降低了程序維護和參數(shù)更改的難度。

圖4-OrangeBox是一個基于開放技術開發(fā)的系統(tǒng)-無需復雜的軟件編程

（2）無需IT專家：通過Orange Box讓客戶擁有一個僅需最少資源，無需現(xiàn)場專家就可即時評估及呈現(xiàn)機器的數(shù)值，可以使得生產過程透明化的系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)對事件的集中管理，并有準確的時間戳。所有與生產過程相關的事件，如計劃內/外停機，以及生產與非生產時間都會以報告呈現(xiàn)，客戶可以隨時查看和下載整個生產過程中的數(shù)據(jù)。

（3）支持現(xiàn)有總線：Orange Box支持與已有系統(tǒng)的通訊，無需對現(xiàn)有系統(tǒng)進行接口升級即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。Orange Box具有很強的功能擴展性，例如在生產統(tǒng)計的基礎上可以擴展出機器使用效率，能源評估等其他功能，在輔助功能，如用戶管理方面，可以擴展使用RFID射頻識別技術代替原有的用戶名密碼登錄模式。

（4）數(shù)據(jù)獨立性：Orange Box適用于各種生產工位，既適用于所謂的棕色地帶 (老舊設備) 也適用于綠色地帶 (今天才到的新設備)。Orange Box可以通過現(xiàn)場總線或者通過各種各樣的互聯(lián)方式例如I/O’s、 ISO on TCP、OPC UA獲得生產過程中的數(shù)據(jù)。這里的前提是，收集到的生產數(shù)據(jù)要與機器的系統(tǒng)生產商、類型及服役年數(shù)無關。

OrangeBOX所投入的技術

（1）mapp 技術：這是貝加萊預編程的自動化技術，可以實現(xiàn)快速的軟件應用構建，通過采用Software Reuse和軟件組件技術所開發(fā)，節(jié)省2/3的研發(fā)時間。

（2）mappVIEW：通過Web技術來提供機器的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，OPC UA作為共享數(shù)據(jù)，使得HMI畫面與程序之間獨立，無需在程序和畫面之間頻繁的改動。

（3）生產統(tǒng)計 ：根據(jù)運營管理（Operation Management）來實現(xiàn)對生產中所需的參數(shù)的顯示，包括通過提供MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)報表、趨勢等功能。

（4）整體設備效率Overall Equipment Effectiveness (OEE)：OEE是在不同的行業(yè)有不同的計算方法，在Orange Box中可以對其進行定義。

Orange Box長什么樣子？

Orange Box從設計上來說采用了現(xiàn)有硬件和軟件，用于實現(xiàn)IIoT的應用而進行了整體重組設計，本身并不需要開發(fā)新的硬件和軟件，而是利用了貝加萊自身軟件的模塊化進行了重組，當然，這需要結合工廠需求的實際來進行應用架構的組織。

圖5-Orange Box實現(xiàn)工廠邊緣計算的數(shù)據(jù)采集與處理功能

適用于較大的產線的Orange Box可以采用Panel PC 2100加現(xiàn)場的X20總線模塊和I/O構成，通過OPC UA可以被Cloud、MES/ERP來訪問，包括通過無線的網(wǎng)關與工廠的數(shù)據(jù)中心的連接能力。

Orange Box的軟件—專為產線集成設計

圖6-用戶管理功能

用戶管理主要解決不同用戶所扮演的角色，并記錄登錄過程和分配權限進行不同的查看和操作。

圖7-生產統(tǒng)計功能

圖7為生產統(tǒng)計功能的主面板，包括時間線、班次統(tǒng)計、任務統(tǒng)計、采用儀表板的狀態(tài)顯示功能，以及工藝參數(shù)、報警等需要確認的任務。

圖8-配方管理功能

可以基于XML的任務下達至產線的控制器，而XML為通用的腳本可以為各種控制器所讀取并執(zhí)行，在圖8所示界面中顯示操作。

圖9-班次管理

圖9是班次管理，諸如三班兩倒、四班三倒等設置，開機、計劃停機等，這些參數(shù)都會用于進行OEE的班次統(tǒng)計。

圖10-產線生產狀態(tài)顯示-數(shù)據(jù)記錄器

對于產線的數(shù)據(jù)可以采用圖10進行統(tǒng)計顯示，包括生產任務完成率、速度損失、廢棄與重加工、空閑、計劃停機、未知原因停機、計劃外停機、良品、不良品等都可以納入此界面進行顯示。

為大學教學的OrangeBOX DEMO系統(tǒng)

除了為產業(yè)配置的OrangeBOX，為大學的教學也配置了一個精簡的OrangeBOX DEMO

圖11-小型的OrangeBOX教學演示系統(tǒng)

此DEMO上的可視鍵盤可以實現(xiàn)對生產中的狀態(tài)模擬，而右邊的總線控制器和I/O可以仿真現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集，HMI上則定義了產線的運營管理參數(shù)的顯示、操作等。

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關于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機構的創(chuàng)新驅動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團的一個業(yè)務單元。作為全球工業(yè)自動化領域的領導者，貝加萊融合了前沿技術與先進的工程能力，為各個產業(yè)客戶提供機器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強大的Automation Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預期的工業(yè)自動化領域前沿技術與方案。

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