實際上遠在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準化、不同控制器之間的通信、HMI的畫面標準化等）與運用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）是美國國際自動化學(xué)會ISA下的一個分支機構(gòu)。美國國家標準和技術(shù)研究院（NIST）、美國制造技術(shù)協(xié)會（AMT）也是OMAC的會員單位。在長達七、八年的開發(fā)過程中，OMAC的工作特點鮮明，

歸納下來主要是三點：

1）市場驅(qū)動力：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)標準；

3）目標：開發(fā)一種適合包裝行業(yè)的系列標準，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出工具性軟件件平臺，其適應(yīng)性和靈活性足以使整個行業(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)市場對包裝業(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，盡可能的實現(xiàn)用較少的包裝生產(chǎn)線滿足多品種的包裝，同時還具備執(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、寶潔、雀巢等對包裝有極大需求的公司。這是一種非常典型的以價值鏈和價值流為導(dǎo)向的總體規(guī)劃和頂層設(shè)計。

PackML系列規(guī)范是綜合運用現(xiàn)有相關(guān)工業(yè)標準和規(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、機械制造商到技術(shù)提供商和技術(shù)服務(wù)商）共享機械控制、各機械間以及設(shè)備層與上位管理和監(jiān)控層的通信、包裝生產(chǎn)過程的運營管理諸方面的軟件規(guī)范。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的針對包裝行業(yè)的工具性軟件平臺，業(yè)已獲得許多實用的驗證，并在美、德、日本等國獲得廣泛應(yīng)用。近些年來在國內(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)路線使自動化技術(shù)和信息技術(shù)真正為實體經(jīng)濟發(fā)展做出有效的貢獻。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)擴展到許多行業(yè)，特別是運用機械設(shè)備形成流水生產(chǎn)線的行業(yè)。最近德國有識之士評價指出：PackML作為機械設(shè)備集成的策略解決方案，為工業(yè)機械系統(tǒng)提供了建模標準，并為任何一類的機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)合起來形成的機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的輝煌愿景邁出堅實步伐的先行者，展現(xiàn)了開發(fā)行業(yè)綜合解決方案的典型意義和實踐魅力。PackML的實踐為實現(xiàn)高效、低成本地把不同制造廠生產(chǎn)的機械設(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為機械自動化創(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)標準：

工控編程語言標準  IEC 61131-3

運動控制規(guī)范  PLCopen運動控制規(guī)范

機械功能安全規(guī)范  PLCopen機械功能安全規(guī)范

功能安全標準IEC 61508

管控一體化標準

批量控制標準 IEC 61512（ISA S88）

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

通信標準  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)控制的國際標準以解決編程、聯(lián)網(wǎng)和最佳實踐三大技術(shù)關(guān)鍵。

在PLCopen的運動控制規(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)了適用于包裝過程的編程語言PackML、軟件平臺PackSoft和連接包裝機械控制系統(tǒng)的接口平臺PackConnect。

PackML 的狀態(tài)模型（見圖3）以標準化的方式表現(xiàn)了制造單元/機械設(shè)備的狀態(tài)模型。它用17個狀態(tài)描述了包裝生產(chǎn)的全部過程和生產(chǎn)模式，用于對制造單元/機械設(shè)備的狀態(tài)進行可視化和控制。狀態(tài)圖的語法是用命令（外部命令和網(wǎng)絡(luò)命令）激活狀態(tài)去執(zhí)行某種動作，用狀態(tài)完成（state completed,SC）執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移、進入等待或執(zhí)行狀態(tài)。

PackML狀態(tài)圖的設(shè)計為協(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)，但并不定義每個狀態(tài)的功能性，這就為不同制造廠在具體實現(xiàn)方面體現(xiàn)技術(shù)差異性給足了空間，同時又保證了整體設(shè)計和操作運營的一致性。

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

圖3  PackML的狀態(tài)圖

PackML將控制系統(tǒng)的運動控制功能塊劃分為3個層次（見圖4）：

• PLCopen運動控制規(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)用這三類運動控制的功能塊。

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（registration）修正、分度（indexing）、批計數(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）、以動態(tài)齒輪系數(shù)嚙合、具有方向暫停的運動停止命令（Motion Command Stop with oriented halt）等。

圖4  PackML的應(yīng)用程序調(diào)用運動控制功能塊

PackTags是為包裝機械之間（M2M通信）以及包裝機械與上位的信息系統(tǒng)（如HMI、MES和ERP等）之間進行數(shù)據(jù)交換通信而專門定義的通信標簽，它為包裝系統(tǒng)的無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)范同時結(jié)構(gòu)清晰，用戶只要采用標準的以太網(wǎng)，通過OPC UA便可完成信息數(shù)據(jù)的通信和交換。在經(jīng)ISA 88委員會新批準的ISA88機械設(shè)備和制造單元的技術(shù)報告中，PackTags為用于基本狀態(tài)模型的過程元素的數(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)交換的標簽PackTags

PackML 還可以用來實時統(tǒng)計綜合設(shè)備運行效率OEE，為用戶提供了可計量的運營效益。

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，不是為某個具體個案給出的解決方案，它是一種為細分行業(yè)給出的完整的解決方案。之所以稱得上完整，是因為從機械設(shè)備和制造單元的運行模式和狀態(tài)圖建模到PLC的應(yīng)用程序設(shè)計和不同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)通信實現(xiàn)了語義層面的可互操作性，都建立了相應(yīng)的經(jīng)過多年實際運行驗證的規(guī)范。這一種為細分行業(yè)開創(chuàng)的由上層管理到中間的通信，再到底層的運動控制的貫通所體現(xiàn)出的OT-IT融合方式可以說是史無前例。

2、從PackML的整體架構(gòu)和設(shè)計看，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)的機械設(shè)備集成設(shè)計的架構(gòu)，涵蓋了機械設(shè)備的橫向集成和運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械設(shè)備集成系統(tǒng)，特別是所有運用順序控制工藝的產(chǎn)線。只要另行定義運動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，需要增添一臺或幾臺設(shè)備的時候，其最大的成本不是機械設(shè)備本身的價值，而是軟件和通信集成、與其它設(shè)備的集成、與運營管理系統(tǒng)的集成和與云系統(tǒng)的集成所需要的成本。PackML多年來的實踐證明，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、OMRON、貝加萊、倍福等均已在自己產(chǎn)品中應(yīng)用。國內(nèi)也在科技自動化聯(lián)盟的組織下成立工作組開展了PackML的實踐推廣活動。可以預(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上取得更多成功。

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

作者簡介

彭瑜，教授級高工，上海工業(yè)自動化儀表研究院技術(shù)顧問，PLCopen中國組織名譽主席，工信部智能制造標準化體系建設(shè)工作組專家，國家智能制造標準化協(xié)調(diào)推進組專家咨詢組專家。