從灰暗走向高光 |工業(yè)4.0通訊的新紀(jì)元
- 隨著6月6日5G商用牌照的發(fā)放，中國5G的發(fā)展毫無意外地開始加速。中國移動2019年預(yù)計將投入192億人民幣，三大運營商預(yù)計今年建設(shè)8至9萬個基站（對比一下，美國目前只有幾千個 ）。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2026年ICT運營商5G的數(shù)字化收入預(yù)計將超過12000億美元，其中約2340億美元來自相應(yīng)的垂直制造領(lǐng)域
工業(yè)正在迎來美好的通訊時代，而工業(yè)4.0背后需要的通訊體系，也開始浮出水面。
工業(yè)4.0的新通訊
工業(yè)4.0一開始就定義了自身的頂層架構(gòu)RAMI，它從三個維度對工業(yè)4.0進行了框架描述，代表了德國對工業(yè)4.0所進行的全局式思考。有了這個模型，各個企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個體系中尋找到自己的位置。這是一股前所未有的洪流交融，萬物、人機、軟硬、虛實都要連接，需要一種全新的通訊觀，才能實現(xiàn)這種集成。從國外的工業(yè)巨頭如西門子的實踐來看，基本是按照這樣的通訊框架進行全域構(gòu)建。
圖1：工業(yè)4.0架構(gòu)RAMI與通訊
（來源：弗勞恩霍夫IOSB-INA和VDMA共同出版的《工業(yè)4.0通信指南》）
然而，通訊作為工業(yè)4.0系統(tǒng)中至關(guān)重要的子系統(tǒng)，并不是只需要完成通訊系統(tǒng)的實時性能就可以——這很容易被誤解是唯一重要的點。更大的挑戰(zhàn)是，把通訊要求所涵蓋的所有網(wǎng)絡(luò)進行無縫的集成。這些網(wǎng)絡(luò)包括從有嚴(yán)格確定性要求的就地控制網(wǎng)絡(luò)，到工廠內(nèi)部的運行操作管理網(wǎng)絡(luò)，到企業(yè)生產(chǎn)的計劃調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，并延伸到全球連接的跨企業(yè)的通信，以及基于網(wǎng)絡(luò)通信的自組態(tài)和各類網(wǎng)絡(luò)管理的集成。同時，需要制定不同以往的升級遷移、集成和維護，考慮與上下游企業(yè)的關(guān)聯(lián)和連接可能性等復(fù)雜的實時策略。
要從底層的傳感器傳遞到云端，數(shù)據(jù)需要有多樣化的路徑。從廠房地板，到企業(yè)高管天花板，一路穿越的網(wǎng)絡(luò)和連接管道的數(shù)據(jù)，如何實現(xiàn)通訊的無縫集成，將成為一個最大的現(xiàn)場挑戰(zhàn)。
工業(yè)4.0正在呼喚一個全新的通訊局面，OPC UA和TSN應(yīng)聲而出。
數(shù)字化工廠的通訊贏家
以往，工廠到處都是機器，它們挨著多年，但生成的信息卻相互隔離，很少“交談”，也很少被利用。然而在離散型工廠或過程自動化工廠中，信息交流有各種不同的流量類型和傳輸要求。自動化控制設(shè)備與工廠級系統(tǒng)和應(yīng)用之間存在垂直通訊需求，而從控制器到控制器、從控制器到現(xiàn)場設(shè)備（例如執(zhí)行器、傳感器和驅(qū)動器）、輸入和輸出等則有水平通訊需求。以往，各種類型的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)支持這些不同的通訊需求，從而將流量劃分到各個單獨的網(wǎng)絡(luò)上。這種數(shù)據(jù)“各自為政”的數(shù)據(jù)治理局面的形成固然有其歷史的必然性，可是當(dāng)前卻正在成為制約萬物互聯(lián)的“枷鎖”。
作為一種打造萬國設(shè)備的工廠級世界語，OPC UA出現(xiàn)了。
近幾年來， 開放平臺通訊統(tǒng)一架構(gòu)OPC UA的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展速度很快，一路領(lǐng)跑。2017年底，德國機械制造協(xié)會VDMA與弗勞恩霍夫IOSB發(fā)布了針對中小型機械制造企業(yè)如何導(dǎo)入OPC UA及其策略的導(dǎo)則。導(dǎo)則明確的強調(diào)，OPC UA不是自動化實時通訊的另一個標(biāo)準(zhǔn)，而是一種為目前尚處于信息孤島的設(shè)備之間建立附加通訊通道的工具, 為不同生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的成套裝置、機械設(shè)備和部件之間提供一種統(tǒng)一的通訊方式。
OPC UA不是來取代現(xiàn)有的通訊協(xié)議，而是實現(xiàn)通訊進行統(tǒng)一對話的工具。換言之，這次來的不是搶地盤的，而是勸和使者。更重要的是，它是將設(shè)備從灰暗地帶、甚至是至暗角落，帶向一個高光時刻。
從傳感器到設(shè)備、到云端，那是一路兇險的火焰山。取經(jīng)途中需要解決的問題包括：統(tǒng)一的語義（各種通關(guān)文牒）、實時（跑得快）、大數(shù)據(jù)量傳遞（個子大）、海量并發(fā)（擁擠）、異構(gòu)數(shù)據(jù)（不同膚色）。OPC UA作為一種面向服務(wù)的架構(gòu)SOA，為機械數(shù)據(jù)（諸如設(shè)備描述、測量數(shù)值、參數(shù)和控制變量）信息交換的標(biāo)準(zhǔn)化，成為西天取經(jīng)的重要法寶。然而它只解決了上層問題，對于底層紛至沓來的數(shù)據(jù)，如同從山谷里殺出多個兵種的千軍萬馬，網(wǎng)絡(luò)體系如何招架?
時間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN開始登場，它專門針對不同數(shù)據(jù)響應(yīng)速度要求的特點，提供了一種網(wǎng)絡(luò)彈性的保障機制。例如，在現(xiàn)代工廠控制中，既有大量實時數(shù)據(jù)的通訊與控制，也有許多監(jiān)視器的監(jiān)測，以及各種無線數(shù)據(jù)，使得現(xiàn)場的數(shù)據(jù)形成了擁擠的跑道，充滿了大量結(jié)構(gòu)化實時信息和非結(jié)構(gòu)化信息（如音頻、視頻流）等各種不同類型的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)同步的精度要求比較高。在控制器之間進行通訊時，可以利用TSN的功能按信息傳輸?shù)膬?yōu)先級加以協(xié)調(diào)，從而在復(fù)雜的現(xiàn)場情況下保障各種通訊的協(xié)調(diào)一致性。
圖2：各種數(shù)據(jù)擠上跑道
可以說，TSN搭建了一個數(shù)字世界的龜兔賽跑的新場地。這種龜兔同賽道的規(guī)則，不再是誰快誰慢，而是承認數(shù)據(jù)多樣性的一種理性選擇。
目前，TSN已達到了實用所需的技術(shù)成熟度，具有TSN功能的網(wǎng)絡(luò)組件、通訊處理器、軟件和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)都已經(jīng)面世。其實，TSN也并非全新的技術(shù)，其來源于AVB（Audio Video Bridging）音視頻橋接，是由AVnu聯(lián)盟組織所倡導(dǎo)開發(fā)的協(xié)議。AVB協(xié)議是為保障實現(xiàn)音頻和視頻數(shù)據(jù)提供時間同步的、低延遲的和保證帶寬預(yù)留的流媒體功能。TSN是AVB的進化版，在原有規(guī)格的基礎(chǔ)上擴大了標(biāo)準(zhǔn)的范圍、功能和應(yīng)用程序。在2017年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）和Avnu聯(lián)盟宣布聯(lián)手，共同推動TSN開放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的部署。這也意味著TSN正在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛認可。
這樣一來，OPC UA在上層，而TSN主要在下層，二者構(gòu)成了地板與天花板之間的相互呼應(yīng)。
圖3：基于TSN強化工業(yè)通訊（來源：西門子）
TSN增強了以太網(wǎng)的功能，也使得其更適合于工業(yè)應(yīng)用。即使在高網(wǎng)絡(luò)負載條件下，TSN也能在機器和工廠之間實現(xiàn)更加強大和可靠的以太網(wǎng)通訊。這種可靠性使得汽車、機械工程等行業(yè)的自動化應(yīng)用擁有顯著優(yōu)勢。
5G工廠的數(shù)據(jù)觀
OPC UA是在作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上作為應(yīng)用層的協(xié)議，而TSN則是為了改進現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。目前工廠里的以太網(wǎng)可以是有線的，也可以是無線的。目前大部分的OPC UA均運行在有線以太網(wǎng)中。然而，對于萬眾矚目的5G，作為無線通信的基本載體，正在引起工業(yè)領(lǐng)域的全新興趣。
在以引領(lǐng)行業(yè)未來著稱的2019年德國漢諾威工業(yè)博覽會上，5G第一次以專門展區(qū)形式出現(xiàn)，多家企業(yè)進行了集中展示與宣講。5G和上一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別之一是，5G可以直接應(yīng)用于機器之間通訊和物聯(lián)網(wǎng)。包含5G和工業(yè)wifi6在內(nèi)的無線通訊，將大幅度提高智能工廠的靈活性、通用性和生產(chǎn)率。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大場景，其中每個場景都與制造業(yè)相關(guān)。增強型移動寬帶eMBB，可以用于增強或虛擬現(xiàn)實、3D/超高清視頻等大流量高速移動寬帶業(yè)務(wù)；而海量機器類通訊mMTC，用于智能抄表、智能農(nóng)業(yè)、過程自動化等大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；而超可靠低時延通訊URLLC，則可以用于無人駕駛、工業(yè)自動化控制、移動機器人，遠程制造等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。而在所有工業(yè)應(yīng)用中，運動控制應(yīng)該是最具挑戰(zhàn)性和高要求的。這就落在URLLC的頭上。
圖4：5G三大場景在未來工廠的應(yīng)用
（來源：ZVEI）
新的數(shù)據(jù)自治秩序，呼之欲出。
看上去，工廠里的無線數(shù)據(jù)，正在處于準(zhǔn)備炸鍋的局面。5G在制造業(yè)中的應(yīng)用，變成了一種期待。一些企業(yè)開始盼望未來把5G融到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中去。
不過且慢，需要潑點冷水的是，5G在工廠現(xiàn)在仍然處于不斷嘗試，尋找場景應(yīng)用的青春萌動期。三大場景頻率資源，其實是不可能同時進行的。用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議與工業(yè)應(yīng)用去做對應(yīng)和適配，仍然是相對現(xiàn)實的做法。
較之有線通訊系統(tǒng)來說，無線系統(tǒng)顯然能快速突破技術(shù)和經(jīng)濟上的限制。未來會在工業(yè)生產(chǎn)中運用數(shù)量巨大的低成本傳感器和執(zhí)行器，除了使用有效的無線系統(tǒng)，別無它法。藍牙和無線局域網(wǎng)都在開發(fā)低成本的結(jié)構(gòu)，但至今為止僅有非常有限的機制來解決抗干擾、信息安全和響應(yīng)時間等問題。單一的無線工業(yè)解決方案局限于很少的頻帶，由于只能容納數(shù)量不多的傳感器和執(zhí)行器，不太可能有很好的經(jīng)濟效應(yīng)。因此，可能仍然需要5至10年，5G才會在工業(yè)應(yīng)用中起到巨大作用。
當(dāng)下ICT的樂觀情緒和鼓吹，難免會影響了輿論的判斷。那種以為“設(shè)備+連接+云”就可以完成大一統(tǒng)的想法，未免過于簡單。隨著5G的發(fā)展，工業(yè)Wifi6也開始成為隨時隨地出發(fā)的數(shù)據(jù)軍團，無縫補齊5G所留下的空白。已經(jīng)在商用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)WiFi6技術(shù)的設(shè)備供應(yīng)商也逐漸意識到了無線技術(shù)在工業(yè)控制應(yīng)用中的特殊性。這種工業(yè)現(xiàn)場特性的技術(shù)差異性，是很難靠ICT廠商實現(xiàn)突破的。對于設(shè)備漫游的實時性和可靠性問題，ICT公司通過上層軟件、驅(qū)動和集中調(diào)控的方式很難解決。很多機器人、AGV更無法形成集中資源，這就必須從設(shè)備端、現(xiàn)場端來解決。ICT從一開始的立場，就已經(jīng)表現(xiàn)出不同。這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是不會關(guān)心控制的，而這恰好是設(shè)備制造商和OT企業(yè)最為精心呵護的陣地。
在上海寶武冷軋車間無人“黑燈工廠”中，重載鋼卷行車在黑暗而空曠的廠房高空中無聲行走，搬運著重達十幾噸的鋼卷，給人以震撼的感覺。黑暗空間背后同樣不可看見的則是西門子等多個自動化廠家提供的控制系統(tǒng)的支撐。在智能制造諸多類似的現(xiàn)場都可以發(fā)現(xiàn)，如果沒有可靠的驅(qū)動與控制、定位系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)的協(xié)同，難言通訊技術(shù)的單刀突破，5G在工廠級的應(yīng)用和發(fā)展也不會例外。
目前來看，有線框架與無線框架將長期并存。也許未來10年左右，才能看到更好的融合點。
同樣地，OPC UA也不是萬能的。OPC UA本質(zhì)上，只是為了解決機器之間的互聯(lián)互通和互操作，對于更復(fù)雜的軟件與軟件、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)、人與系統(tǒng)等的聯(lián)接性，則是無能為力的。這意味著，OPC UA之外仍然需要大量的聯(lián)接性協(xié)議（如DDS、oneM2M、HTTP）等加以補充。OPC UA和TSN也是逐步搬遷到機制上。專業(yè)通訊的架構(gòu)，仍然是工廠通訊的核心要害。這需要對設(shè)備有著深入的了解。
符合工業(yè)4.0要求的通訊，并無法立刻全面普及。要獲得全面的應(yīng)用，恐怕還需要十年左右的時間。這對于急性的人們而言，或許顯得有點長，但考慮到自動化技術(shù)的應(yīng)用動輒三四十年，這已經(jīng)算快速的應(yīng)用了。
萬物互通訊，讓數(shù)字企業(yè)更精準(zhǔn)
數(shù)據(jù)的魅力已經(jīng)得到確認。在這樣一個5G時代，各種數(shù)據(jù)正在四處炸開，像是叮當(dāng)散落的珠子。大珠小珠落玉盤，各處濺射的數(shù)據(jù)，更需要一個聚寶盆來盛接。
物聯(lián)網(wǎng)平臺隨著而來，正在成為一個理想的容器。與國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺承接中小企業(yè)的賦能任務(wù)所不同，國外紛紛走向大企業(yè)的戰(zhàn)略合作。德國大眾汽車在今年3月宣布，西門子MindSphere將成為大眾工業(yè)云的集成合作伙伴。其122家工廠的各種機械設(shè)備將整合到工業(yè)云中進行，數(shù)據(jù)透明和數(shù)據(jù)分析將為大眾汽車進一步提高生產(chǎn)效率奠定技術(shù)基礎(chǔ)。
這個時代最令人深刻的印象是，大的科技都是在同時并發(fā)。5G、Wifi6.0、NB-IoT等這些通訊技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)大平臺、人工智能都交叉前進，呼應(yīng)著一個數(shù)據(jù)大時代。
萬物互聯(lián)背后，正是通訊的時代。
在精益生產(chǎn)的體系中，水蜘蛛這個崗位的出現(xiàn)，意味深長。水蜘蛛是生產(chǎn)線上專門從事生產(chǎn)看板、物料的準(zhǔn)備和傳遞的人員。這些人被昵稱為“水蜘蛛”，形容其猶如飄在水上的蜘蛛，行動快速，日本人稱之為Mizusumashi。日本人一方面把現(xiàn)場力做到極致，另一方面就是這么擅長制造名詞，成為日本制造背后的一種病毒式傳播的工業(yè)文化。水蜘蛛是一種完成態(tài)勢感知，從而彌補局部工位信息不足的一個重要崗位。
在未來智能工廠中，諸如 AGV、移動機器人等各種生產(chǎn)物料將與人力、機器設(shè)備和系統(tǒng)協(xié)同工作，機器或機器人的位置會隨時變動。因此，精確提供其在工廠中的位置信息，對于自我引導(dǎo)的高效工作流程來說至關(guān)重要。
在這種場景下，“數(shù)字水蜘蛛”出現(xiàn)了。一種實時定位系統(tǒng)RTLS，正在開始以位置+自通訊的視野，進入了數(shù)字化工廠。它具有水蜘蛛的感知特性，但更能與上層的管理軟件系統(tǒng)直接對話，而且可以指揮。
一方面智能系統(tǒng)如移動機器人、自動導(dǎo)引車AGV會隨時報告自己的地點和時間信息；而相關(guān)對象 （如工件、工裝夾具、AGV 或機器人）都可以綁定電子標(biāo)簽。標(biāo)簽信號將由上位系統(tǒng)采集，并計算其位置，然后將信息反饋給自動化系統(tǒng)和制造單元。
圖5：實現(xiàn)整個公司內(nèi)的全景定位
（來源：西門子）
實時定位系統(tǒng)（RTLS），能引導(dǎo)物料、控制移動機器人、監(jiān)測工件使用，并完整記錄追溯最終產(chǎn)品裝配的實時定位系統(tǒng)。從而實現(xiàn)高度靈活、自我組織的生產(chǎn)與物流解決方案，提高生產(chǎn)與物流傳統(tǒng)工作流程的動態(tài)性能。小批量生產(chǎn)，變得更加可行。而西門子厘米級的SIMATIC RTLS，則通過MES系統(tǒng)與業(yè)務(wù)點的精確數(shù)字化映射，從而涵蓋從物料入庫到進一步加工和最終裝配。
一曲萬物大合唱的數(shù)據(jù)之歌，開始上演。而RFID、讀碼器，這種傳統(tǒng)的不能再傳統(tǒng)的標(biāo)識工具，突然間有了靈魂。它們不再孤獨作戰(zhàn)，不再局部交換信息，而是組合建立了一個全廠級的兵團。這是水蜘蛛最有意義的事情了。
在寶馬、奔馳的車間中，原來是通過單個的傳送帶將車體送到不同位置進行加工。而通過生產(chǎn)工藝改進和對于RTLS的應(yīng)用，單軌運輸?shù)墓潭ㄝ斔途€有可能被解放出來。這意味著生產(chǎn)路線可以靈活地進行調(diào)適，工廠整個工藝生產(chǎn)布局可以快速調(diào)整，柔性化生產(chǎn)將變得更加容易，廠房空間也可以大幅度壓縮。這背后需要準(zhǔn)確捕捉每個設(shè)備、每個工件物料的位置信息，并提供相應(yīng)服務(wù)。
工具開始變得更加有點像藍精靈一樣“調(diào)皮”了，可以自行動手動腳了。在汽車的加工工藝中，汽車安裝的時候有很多擰緊的動作，可以采集工具運動的動作和運動次數(shù)，以及分析在某個工位如何能裝配得更快。假如這個工位的零件需要轉(zhuǎn)三圈緊固，那么工人不用去翻看操作手冊，甚至也不用有記憶，而只是拿著帶定位的工具。這個設(shè)備，會自動轉(zhuǎn)三圈；而到了下一個工序位置，則根據(jù)定位可能自動旋轉(zhuǎn)十五圈。在不同的位置點可以分配不同的任務(wù)。當(dāng)生產(chǎn)線上的車型更換了，安裝順序、工藝流程不同了，都可以輕松調(diào)整，靈活應(yīng)用。
就這樣，借助于超寬帶UWB技術(shù)和2.4G無線通訊，實時定位系統(tǒng)只是把位置信息發(fā)給任務(wù)分配設(shè)備，任務(wù)分配設(shè)備再根據(jù)有線的或者無線的通訊方式把任務(wù)發(fā)送到操作工具，操作工具就自動完成工作了。
智能工廠往往過分強調(diào)智能設(shè)備和軟件，但工廠對象的智能化，例如傳感器、物料等，同樣無比重要。任何數(shù)據(jù)的發(fā)出源，都能借助全新的通訊體系，通過光學(xué)、機械和聲學(xué)等手段，將工廠對象，轉(zhuǎn)換成智能對象。一輛輛汽車的平淡無奇，由于GPS導(dǎo)航而重新定義車與路的關(guān)系。路盲的標(biāo)簽，徹底地從每個人身上撕掉。而RFID這些早已在工廠默默多年的標(biāo)簽，突然變得“視野開闊”，從“標(biāo)簽對象”成為“智能對象”，這正是拜實時定位系統(tǒng)所賜。實時定位系統(tǒng)激發(fā)了現(xiàn)場所有可能信息的釋放，讓一個數(shù)字化企業(yè)變得更加觸手可及。
這種數(shù)字化企業(yè)的無線定位平臺，配置簡單，激活了傳統(tǒng)存量設(shè)施，也激活了一個“空中之城”：那些實時、精準(zhǔn)和動態(tài)的數(shù)據(jù)，在繁忙的物理設(shè)備的上空，也在大張旗鼓地處理和分析之中。
小記
萬物互聯(lián)引發(fā)了數(shù)據(jù)像雪崩一樣地四處翻滾，將是未來數(shù)字化工廠最為壯觀的一個場景。如何指揮這些數(shù)據(jù)、連同各種信號和指令，統(tǒng)一成一個和諧的人機協(xié)同的智能工廠？如果仔細觀察西門子這樣的數(shù)字化急先鋒，你會發(fā)現(xiàn)它背后是對工業(yè)通訊的一個復(fù)雜多樣的全面布局。因為工業(yè)通訊正是打開智能工廠大門的一把超級鑰匙。在5G時代，讓人們對智能工廠有了更多的想象空間，那些看不見的數(shù)據(jù)則紛紛掙脫了設(shè)備的束縛，從機器的暗處紛紛走向明亮的屏幕之上。而工業(yè)通訊，這一傳統(tǒng)的角色正以前所未有的包容，不動聲色地在背后指揮著一切數(shù)據(jù)的自由流動。
