OrangeBOX-面向边缘计算的实现

OrangeBOX-面向边缘计算的实现

--为现有工厂升级提供工业物联网解决方案

贝加莱工业自动化（中国）有限公司 宋华振

工业4.0时代老工厂怎么办？

显然，工业4.0所谓的技术都是适合于新建工厂项目！就比如说新的控制器都是有标准以太网、OPC UA的软件接口的，但是，工业4.0总不能把原有的工厂都给抛弃了吧？那些投资千万、亿万的大量工厂原有设施和设备仍然在为企业不断的赚取利润。

老工厂（Brownfield）

新工厂（Greenfield）

图1-老工厂与新工厂同时存在

老工厂存在很多问题，影响系统的互联：

（1）早期的设备根本没有总线接口，即或是总线技术已经发展了超过30年，但是，在过去的很多年里，总线也并非是标配于设备和产线的；

（2）同家公司的系统也无法保证其总线的兼容性，包括总线的不同版本、针对不同应用场景的总线类型都会有差异。

（3）总线之间也欠缺互联的统一接口，不仅要实现互联也要实现互通与语义互操作，FDT/DTM、DDS、XML脚本都被应用于实现互操作，即使今天统一到OPC UA下也并非是都有实现。

因此，在工业4.0/智能制造的现实推进过程中，实现互联互通与语义互操作尚是件很困难的事，更不用说不同的行业所采用的不同信息模型，不同的行业需要不同的应用数据和使用不同的数据分析模型。

因此，如果今天有人去定义所谓的工业4.0工厂看来是有点操之过急。

OrangeBOX为边缘计算而实现的解决方案

为了实现工业物联网IIoT来解决数据采集、传输与应用，越来越多的工业企业客户接受“边缘计算”（Edge Computing）这一理念，希望通过边缘计算在云与工厂之间建立一个服务于工厂本身的应用与基础架构，当然，它借助于开放的互联网技术来降低其部署成本，但提高响应能力与安全性。

我们以图2来说明Orange Box的角色—Orange Box并非是一个具体的产品，而是一个解决方案，它针对老工厂实现采用以下几种方法：

（1）现场没有总线，采用直接的I/O物理线路连接来实现，丰富的X20 I/O模块支撑；

（2）支持总线的，则通过现场的总线控制器来连接（Modbus、CAN、Profibus等不同的模块）；

（3）有以太网支持OPC UA可以直接访问，OPC UA本身支持TCP/IP的连接。

图2-采用OrangeBOX实现边缘计算的架构

Orange Box由一个控制器和贝加莱mapp技术预配置软件组件mapp所构成。控制器可以通过其I/O通道或现场总线连接从任何机器中收集操作数据。从这些数据中，mapp会生成并显示OEE及其它KPI值，也可以通过OPC UA与更高层系统共享信息。

OrangeBOX用来解决哪些问题？

Orange Box的目的是从车间获取与生产相关的生产数据，并利用不同的mapp功能块，例如：

（1）OEE：对于工厂而言，OEE是最为关注的数据，通过对生产的几个要素数据的采集，工厂可以完全关注到生产的运营效率指标以及如何改善的路径。

图3-OEE的计算

图3，OEE的计算包括了可用性、生产运营效率、质量，共同构成OEE的计算。

（2）能源：监测能源消耗有利于对成本进行评估和优化。

（3）审计等功能对整个生产过程的数值进行评估，实现生产过程的透明化，并将评估好的数据能够通过标准接口 / 数据库，尤其是在制药工业、食品等需要审计追踪功能的行业。

Orange Box的特点：

（1）易于使用的技术：任何技术人员都能轻易操作Orange Box，这是参与Orange Box研发的专家意见。通过贝加莱的Mapp技术，我们把在智能手机的世界里随处可见的“App”原理投入到工业领域内。mapp采用了适用于工业4.0的模块化应用技术，在简化程序开发复杂度的同时大大降低了程序维护和参数更改的难度。

图4-OrangeBox是一个基于开放技术开发的系统-无需复杂的软件编程

（2）无需IT专家：通过Orange Box让客户拥有一个仅需最少资源，无需现场专家就可即时评估及呈现机器的数值，可以使得生产过程透明化的系统，能够实现对事件的集中管理，并有准确的时间戳。所有与生产过程相关的事件，如计划内/外停机，以及生产与非生产时间都会以报告呈现，客户可以随时查看和下载整个生产过程中的数据。

（3）支持现有总线：Orange Box支持与已有系统的通讯，无需对现有系统进行接口升级即可实现数据交换。Orange Box具有很强的功能扩展性，例如在生产统计的基础上可以扩展出机器使用效率，能源评估等其他功能，在辅助功能，如用户管理方面，可以扩展使用RFID射频识别技术代替原有的用户名密码登录模式。

（4）数据独立性：Orange Box适用于各种生产工位，既适用于所谓的棕色地带 (老旧设备) 也适用于绿色地带 (今天才到的新设备)。Orange Box可以通过现场总线或者通过各种各样的互联方式例如I/O’s、 ISO on TCP、OPC UA获得生产过程中的数据。这里的前提是，收集到的生产数据要与机器的系统生产商、类型及服役年数无关。

OrangeBOX所投入的技术

（1）mapp 技术：这是贝加莱预编程的自动化技术，可以实现快速的软件应用构建，通过采用Software Reuse和软件组件技术所开发，节省2/3的研发时间。

（2）mappVIEW：通过Web技术来提供机器的数据呈现，OPC UA作为共享数据，使得HMI画面与程序之间独立，无需在程序和画面之间频繁的改动。

（3）生产统计 ：根据运营管理（Operation Management）来实现对生产中所需的参数的显示，包括通过提供MES系统数据实现报表、趋势等功能。

（4）整体设备效率Overall Equipment Effectiveness (OEE)：OEE是在不同的行业有不同的计算方法，在Orange Box中可以对其进行定义。

Orange Box长什么样子？

Orange Box从设计上来说采用了现有硬件和软件，用于实现IIoT的应用而进行了整体重组设计，本身并不需要开发新的硬件和软件，而是利用了贝加莱自身软件的模块化进行了重组，当然，这需要结合工厂需求的实际来进行应用架构的组织。

图5-Orange Box实现工厂边缘计算的数据采集与处理功能

适用于较大的产线的Orange Box可以采用Panel PC 2100加现场的X20总线模块和I/O构成，通过OPC UA可以被Cloud、MES/ERP来访问，包括通过无线的网关与工厂的数据中心的连接能力。

Orange Box的软件—专为产线集成设计

图6-用户管理功能

用户管理主要解决不同用户所扮演的角色，并记录登录过程和分配权限进行不同的查看和操作。

图7-生产统计功能

图7为生产统计功能的主面板，包括时间线、班次统计、任务统计、采用仪表板的状态显示功能，以及工艺参数、报警等需要确认的任务。

图8-配方管理功能

可以基于XML的任务下达至产线的控制器，而XML为通用的脚本可以为各种控制器所读取并执行，在图8所示界面中显示操作。

图9-班次管理

图9是班次管理，诸如三班两倒、四班三倒等设置，开机、计划停机等，这些参数都会用于进行OEE的班次统计。

图10-产线生产状态显示-数据记录器

对于产线的数据可以采用图10进行统计显示，包括生产任务完成率、速度损失、废弃与重加工、空闲、计划停机、未知原因停机、计划外停机、良品、不良品等都可以纳入此界面进行显示。

为大学教学的OrangeBOX DEMO系统

除了为产业配置的OrangeBOX，为大学的教学也配置了一个精简的OrangeBOX DEMO

图11-小型的OrangeBOX教学演示系统

此DEMO上的可视键盘可以实现对生产中的状态模拟，而右边的总线控制器和I/O可以仿真现场的数据采集，HMI上则定义了产线的运营管理参数的显示、操作等。

关于贝加莱

贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业，2017年7月，贝加莱成为ABB集团的一个业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者，贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力，为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境，贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神，为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。

更多信息请访问: http://www.br-automation.com