實(shí)際上遠(yuǎn)在OT-IT融合的概念形成以前，工業(yè)界很早就在探索如何把工業(yè)控制諸多的關(guān)鍵技術(shù)（如控制程序的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化、不同控制器之間的通信、HMI的畫面標(biāo)準(zhǔn)化等）與運(yùn)用IT的生產(chǎn)管理關(guān)鍵技術(shù)（如MES等）結(jié)合得更緊密。其中最為典型的案例非OMAC組織開發(fā)的PackML莫屬（見圖1）。

圖1  PackML所展示的OT-IT融合的基本概念

OMAC（Organization for Machine Automation & Control）是美國(guó)國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì)ISA下的一個(gè)分支機(jī)構(gòu)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院（NIST）、美國(guó)制造技術(shù)協(xié)會(huì)（AMT）也是OMAC的會(huì)員單位。在長(zhǎng)達(dá)七、八年的開發(fā)過(guò)程中，OMAC的工作特點(diǎn)鮮明，

歸納下來(lái)主要是三點(diǎn)：

1）市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力：包裝業(yè)務(wù)發(fā)展和包裝要求盡可能完美結(jié)合；

2）方法論：充分利用現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

3）目標(biāo)：開發(fā)一種適合包裝行業(yè)的系列標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出工具性軟件件平臺(tái)，其適應(yīng)性和靈活性足以使整個(gè)行業(yè)中的裝備制造商、最終用戶、系統(tǒng)集成公司和技術(shù)提供商都能受益。

為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)包裝業(yè)務(wù)發(fā)展的需求（客制化規(guī)模生產(chǎn)，多品種小批量，……），需要開發(fā)一攬子的綜合技術(shù)解決方案，盡可能的實(shí)現(xiàn)用較少的包裝生產(chǎn)線滿足多品種的包裝，同時(shí)還具備執(zhí)行精益生產(chǎn)管理的能力。這是PackML開發(fā)的背景需求，其主要支持者是可口可樂(lè)、寶潔、雀巢等對(duì)包裝有極大需求的公司。這是一種非常典型的以價(jià)值鏈和價(jià)值流為導(dǎo)向的總體規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)。

PackML系列規(guī)范是綜合運(yùn)用現(xiàn)有相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，解決包裝行業(yè)中所有的利益相關(guān)方（從最終用戶、系統(tǒng)集成商、機(jī)械制造商到技術(shù)提供商和技術(shù)服務(wù)商）共享機(jī)械控制、各機(jī)械間以及設(shè)備層與上位管理和監(jiān)控層的通信、包裝生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)營(yíng)管理諸方面的軟件規(guī)范。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的針對(duì)包裝行業(yè)的工具性軟件平臺(tái)，業(yè)已獲得許多實(shí)用的驗(yàn)證，并在美、德、日本等國(guó)獲得廣泛應(yīng)用。近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)也受到一定重視和關(guān)注。

OMAC在包裝行業(yè)OT-IT融合獲得的成效清晰地告訴我們，遵循這樣的技術(shù)路線使自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)真正為實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出有效的貢獻(xiàn)。迄今為止，我們還很少看到惠及面如此之廣的全行業(yè)整體解決方案。更值得注意的是，它的影響已經(jīng)擴(kuò)展到許多行業(yè)，特別是運(yùn)用機(jī)械設(shè)備形成流水生產(chǎn)線的行業(yè)。最近德國(guó)有識(shí)之士評(píng)價(jià)指出：PackML作為機(jī)械設(shè)備集成的策略解決方案，為工業(yè)機(jī)械系統(tǒng)提供了建模標(biāo)準(zhǔn)，并為任何一類的機(jī)械裝置提供有效的控制、監(jiān)控和管理的架構(gòu)（參見圖2）。

將它與OPC UA結(jié)合起來(lái)形成的機(jī)械裝置集成的解決方案，定將為發(fā)揮OT-IT融合的巨大潛力奠定技術(shù)基礎(chǔ)。顯然，PackML的成功明確地向自動(dòng)化的從業(yè)人員、智能制造和智慧工廠的開拓者和踐行者，以及為工業(yè)4.0的輝煌愿景邁出堅(jiān)實(shí)步伐的先行者，展現(xiàn)了開發(fā)行業(yè)綜合解決方案的典型意義和實(shí)踐魅力。PackML的實(shí)踐為實(shí)現(xiàn)高效、低成本地把不同制造廠生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備集成為控制、監(jiān)控、生產(chǎn)管理一致性極佳的產(chǎn)線，探索出一條可行的道路。

圖2  PackML和OPC UA為機(jī)械自動(dòng)化創(chuàng)建聯(lián)接性框架

PackML系列規(guī)范充分利用了現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

工控編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)  IEC 61131-3

運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范  PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范

機(jī)械功能安全規(guī)范  PLCopen機(jī)械功能安全規(guī)范

功能安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508

管控一體化標(biāo)準(zhǔn)

批量控制標(biāo)準(zhǔn) IEC 61512（ISA S88）

企業(yè)信息控制系統(tǒng)架構(gòu) IEC 62264（ISA S95）

通信標(biāo)準(zhǔn)  IEC 62541（OPC UA）

在此基礎(chǔ)上PackML開發(fā)工作組已經(jīng)完成的工作是：制定主要用于包裝工業(yè)控制的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)以解決編程、聯(lián)網(wǎng)和最佳實(shí)踐三大技術(shù)關(guān)鍵。

在PLCopen的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范和ISA S88批量控制規(guī)范的基礎(chǔ)上，又嵌入了PLCopen開發(fā)的機(jī)械功能安全規(guī)范和OPC UA工業(yè)以太網(wǎng)集成的軟件接口規(guī)范，開發(fā)了適用于包裝過(guò)程的編程語(yǔ)言PackML、軟件平臺(tái)PackSoft和連接包裝機(jī)械控制系統(tǒng)的接口平臺(tái)PackConnect。

PackML 的狀態(tài)模型（見圖3）以標(biāo)準(zhǔn)化的方式表現(xiàn)了制造單元/機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)模型。它用17個(gè)狀態(tài)描述了包裝生產(chǎn)的全部過(guò)程和生產(chǎn)模式，用于對(duì)制造單元/機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行可視化和控制。狀態(tài)圖的語(yǔ)法是用命令（外部命令和網(wǎng)絡(luò)命令）激活狀態(tài)去執(zhí)行某種動(dòng)作，用狀態(tài)完成（state completed,SC）執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移、進(jìn)入等待或執(zhí)行狀態(tài)。

PackML狀態(tài)圖的設(shè)計(jì)為協(xié)調(diào)一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)移、協(xié)調(diào)一致的信息交換、統(tǒng)一的操作員界面(HMI)打下基礎(chǔ)。值得注意的是PackML只定義狀態(tài)圖的狀態(tài)，但并不定義每個(gè)狀態(tài)的功能性，這就為不同制造廠在具體實(shí)現(xiàn)方面體現(xiàn)技術(shù)差異性給足了空間，同時(shí)又保證了整體設(shè)計(jì)和操作運(yùn)營(yíng)的一致性。

此外，Simulink已為PackML的狀態(tài)圖仿真提供了軟件工具，還可通過(guò)它提供的自動(dòng)代碼生成工具Simulink PLC Coder（IEC 61131-3），或Simulink Coder(C/C++)將經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證的流程轉(zhuǎn)換為ST語(yǔ)言代碼或C語(yǔ)言代碼。

圖3  PackML的狀態(tài)圖

PackML將控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊劃分為3個(gè)層次（見圖4）：

• PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范定義的功能塊
• 用戶定義的常用功能塊
• 用戶定義的專用功能塊

應(yīng)用程序可按控制要求調(diào)用這三類運(yùn)動(dòng)控制的功能塊。

PackML定義的包裝行業(yè)專用的功能塊包括：卷取/開卷軸（表面線速度恒定模式）、卷取/開卷軸（扭矩恒定CT模式）、張力松緊調(diào)節(jié)控制、配準(zhǔn)（registration）修正、分度（indexing）、批計(jì)數(shù)器、數(shù)字PLS(電子凸輪開關(guān))、集合覆蓋（Set Override）、精密送料軸（Jog Axis）、短暫同步（flying Syc）、以動(dòng)態(tài)齒輪系數(shù)嚙合、具有方向暫停的運(yùn)動(dòng)停止命令（Motion Command Stop with oriented halt）等。

圖4  PackML的應(yīng)用程序調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制功能塊

PackTags是為包裝機(jī)械之間（M2M通信）以及包裝機(jī)械與上位的信息系統(tǒng)（如HMI、MES和ERP等）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換通信而專門定義的通信標(biāo)簽，它為包裝系統(tǒng)的無(wú)縫通信提供了一種統(tǒng)一而便捷的途徑（見圖5）。

由于它將PLCopen規(guī)范的特性和OPC UA的結(jié)構(gòu)完美組合，使其數(shù)據(jù)類型符合規(guī)范同時(shí)結(jié)構(gòu)清晰，用戶只要采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，通過(guò)OPC UA便可完成信息數(shù)據(jù)的通信和交換。在經(jīng)ISA 88委員會(huì)新批準(zhǔn)的ISA88機(jī)械設(shè)備和制造單元的技術(shù)報(bào)告中，PackTags為用于基本狀態(tài)模型的過(guò)程元素的數(shù)據(jù)單元提供了一組統(tǒng)一的命名規(guī)則，還為此規(guī)定了數(shù)據(jù)類型、賦值及賦值范圍、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。PackTags有三種類型：命令Tags（前綴為“Command”），狀態(tài)Tags （前綴為“Status”），管理Tags （前綴為“Admin”）。

圖5  用作通信數(shù)據(jù)交換的標(biāo)簽PackTags

PackML 還可以用來(lái)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)綜合設(shè)備運(yùn)行效率OEE，為用戶提供了可計(jì)量的運(yùn)營(yíng)效益。

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：

1、PackML所體現(xiàn)的OT-IT融合，不是為某個(gè)具體個(gè)案給出的解決方案，它是一種為細(xì)分行業(yè)給出的完整的解決方案。之所以稱得上完整，是因?yàn)閺臋C(jī)械設(shè)備和制造單元的運(yùn)行模式和狀態(tài)圖建模到PLC的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)和不同PLC之間的通信和數(shù)據(jù)交換，再到與生產(chǎn)監(jiān)控和管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義層面的可互操作性，都建立了相應(yīng)的經(jīng)過(guò)多年實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證的規(guī)范。這一種為細(xì)分行業(yè)開創(chuàng)的由上層管理到中間的通信，再到底層的運(yùn)動(dòng)控制的貫通所體現(xiàn)出的OT-IT融合方式可以說(shuō)是史無(wú)前例。

2、從PackML的整體架構(gòu)和設(shè)計(jì)看，其OT-IT的融合已經(jīng)很好地融入和體現(xiàn)了包裝行業(yè)的工程技術(shù)ET。

3、PackML盡管是為包裝行業(yè)的機(jī)械設(shè)備集成設(shè)計(jì)的架構(gòu)，涵蓋了機(jī)械設(shè)備的橫向集成和運(yùn)行管理的縱向集成所需要的各種功能性，但是其概念、策略和架構(gòu)完全可以適用于幾乎所有的機(jī)械設(shè)備集成系統(tǒng)，特別是所有運(yùn)用順序控制工藝的產(chǎn)線。只要另行定義運(yùn)動(dòng)控制的專用功能塊和具體的診斷系統(tǒng)，完全可以應(yīng)用到壓鑄、壓力加工（鍛壓等）、注塑等機(jī)械控制中。

4、當(dāng)一條產(chǎn)線為提高產(chǎn)能和平衡生產(chǎn)節(jié)拍，需要增添一臺(tái)或幾臺(tái)設(shè)備的時(shí)候，其最大的成本不是機(jī)械設(shè)備本身的價(jià)值，而是軟件和通信集成、與其它設(shè)備的集成、與運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的集成和與云系統(tǒng)的集成所需要的成本。PackML多年來(lái)的實(shí)踐證明，它的架構(gòu)、理念和方法可以在很大程度上降低軟件和通信集成的成本，加快集成的速度。

PackML已在美、歐、日獲得廣泛支持，Rockwell、安川、三菱電機(jī)、OMRON、貝加萊、倍福等均已在自己產(chǎn)品中應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也在科技自動(dòng)化聯(lián)盟的組織下成立工作組開展了PackML的實(shí)踐推廣活動(dòng)?？梢灶A(yù)見，PackML將在OT和IT融合的道路上不斷深入，以低成本和自下而上的特色在市場(chǎng)上取得更多成功。

我們認(rèn)為，PackML主導(dǎo)的自上而下的柔性控制機(jī)制正是我國(guó)目前急需解決的短板。尤其是我國(guó)許多企業(yè)將智能制造理解為自動(dòng)化的簡(jiǎn)單提升，并且已經(jīng)進(jìn)行了大量建設(shè)的現(xiàn)實(shí)情況下，后續(xù)的改進(jìn)和提高完全可以借鑒PackML的思路和理念。另外，我們還應(yīng)該我國(guó)在制定面向行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及組合應(yīng)用現(xiàn)有的各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力和意識(shí)，與美國(guó)、德國(guó)等還有很大的差距，我們必須迎頭趕上。

作者簡(jiǎn)介

彭瑜，教授級(jí)高工，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院技術(shù)顧問(wèn)，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席，工信部智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作組專家，國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)組專家咨詢組專家。