PackML 学习笔记（2） OPCUA /PackML

2020年11月11日，OPC 基金会发布了PackML 的配套规范（OPC 30050: PackML - Packaging Control）。意味着可以使用OPCUA 信息模型来构建PackML 模型了。

如果写一篇技术简介往往是简单的，要去实现这门技术却很难。首先，OPC UA 的本文涉及的内容很多，而且不容易读懂。工业标准与IT 技术不同，网络上难以找到模板和编程技巧的介绍。多数情况下智能靠自己琢磨。也许个人的读书笔记对其他人是有帮助的。

PackML 的应用

尽管PackML 最初是为包装行业制定的标准，但是目前已经远远地超出了PackML 的范畴，它俨然成为机器的通用接口标准：基于PackML 的应用系统如下图所示

规范了HMI 操作界面
利用PackTag 实现机器之间的通信
利用PackTag 实现IT/OT 之间的通信

当使用OPCUA 构建 PackML 模型之后，能够使用OPC UA 的通信机制实现PackML。

应该指出，无论是PackML ，还是OPCUA 。它们都只是一种模型描述方法。它们规范了程序界面的标准化。具体的实现是需要PLC 或者机器控制器内部程序支持的。PLC 厂商提供了IEC61131-3 功能块库支持PackML状态的演变。作为工业软件的开发者，我们需要研究如何编写类似的功能块或者软件。

基于OPCUA /PackML ,我们可以开发：

标准化的IT 远程操作面板
机器操控面板
机器与和机器之间通过PackTag 互操作。

使用PackML 与采纳其它所有工业软件标准一样，唯一的目的是减少系统设计的工作量，实现代码复用和低代码。

机器与机器之间采用PackML 相互操作。未来还能够将PaclML 封装到AAS 资产管理壳的子管理壳中。

实现数字化制造的重点是构建物理对象的信息模型，提出的方案很多，最终我们拿什么来呈现物理对象的数字化模型？目前尚无定论。从发展趋势看，工业4.0的AAS 呼声比较高。packML也是一种方式。与此同时，OPCUA ，PackML，AAS 等模型相互交织在一起，相互引用，分分合合。搞得非常复杂。

OPCUA/PackML 的主要模型

状态机

状态机是PackML 中最重要的概念，OPC UA 模型中支持有限状态机模型，有限状态机包含了状态（state）和转移（transittion）。下图中的长方形代表状态，连线代表的是转移。转移分为两种，一种是通过外部客户端调用方法和Tag实现，另一种是内部状态完成时由内部程序完成（SC- State complete）。

packML 被OPCUA 采纳之后，导致了各种状态机模型。主要包括如下三种

PackML基本状态机
PackML机器状态机是一台设备的packML 的状态机
PackML执行状态机是执行状态下的子状态。

PackML基本状态机

基本状态机对应packML图的Clear 阶段的状态演变(下图的灰色部分）

运行部分的状态机在内部的PackML Machine StateMachine中。

PackML 机器状态机

PackML执行状态机

在执行状态下，还可以由子状态机（subState），如果存在的话，将会在PackML执行状态机中建模。

从上面的几个状态机来看，PackML 的状态图是分层实现的：

在PackMLBaseStateMachine 中

只定义了有关Clear和Abort的状态：

Cleared
Aborting
Aborted

在PackMLMachineStateMachine 中设及Reset，Stop 的状态变化

Clearing
Running
Stopping
Stoped

在 ExecuteState中

Complete
Competing
Execute
Held
Holding
Resetting
Starting
Suspened
Suspending
Unholding
unsuspending

至于为什么这样嵌套式地定义各种状态和转移，不是特别明白其中的奥秘。

状态机的运行机制

PackML 设计建立在OPC UA 有限自动机模型的基础之上的。OPC UA 有限自动机信息模型如下：

有限自动机的两个最重要基本概念是状态和转移（state and Transition）。在上图中，MyMethod导致转换Transition1，Transition 1有两个引用（FromState 和ToState）。从状态1 转移到状态2.从同时产生MyEvent事件。

模型是描述出来了，MyMethod 导致Transition，transition 触发状态转移和事件触发都需要Opc UA 服务器中的程序来实现。至少Open61541 协议栈中是不包含这些程序功能的。

packML基本对象

作为一个完整的规范，PackML标准中不仅仅是状态机，还包括其它信息模型，PackML BaseObjectType是可以用于任何机器或者对象的packML 类型:

管理功能

Admin 包含了PackML OPC UA服务器的管理功能。

状态

标签

一组方法

SetParameter

SetInterLock

SetProduct

SetMatchSpeed

基本状态机

基本状态机内部包含了PackML 机器状态机（PackML Machine StateMachine）。而PackML 机器状态机内部可以包含执行状态机。

标签 PackTag

基于packML 的互操作除了采取调用Method 的方法，还有一种是采用PackTag

按文档的说法，PackTags 是命名数据元素，用于开放式架构、自动化机器中的可互操作数据交换，也可用于机器与更高级别的信息系统（如制造运营管理和企业信息系统）之间的数据交换。

PackTags 分为三组：命令（command）、状态（status）和管理（admin）。

命令标签（command）和状态标签（status）包含机器和生产线控制之间的接口以进行协调或配方/参数下载所需的数据。

命令标签：作为程序控制作为入口。
状态标签：由设备产生并修改，表示设备当前状态。
管理标签：包含由更高级别系统收集的用于机器性能分析或操作员信息的数据。

通常，信息数据是在基于以太网的通信网络上使用 OPC 传递的

OPC UA 中，Tag 是字符串格式的变量。在OPCUA /PackML文档中没有对PackID 有过多的说明。个人觉得OPCUA/PackML 是通过写入TagId和Status 来交换PackID。想必也需要内部程序支持。

实验过程

最好的学习方法是从做中学。为了充分理解packML OPCUA 的封装以及具体的应用，我构建了一台设备的PackML 模型。值得一提的是，OPCUA/PackML 只是一个信息模型，它背后需要相应的程序配合。国外的PLC 产品中具有功能块库支持PackML.作为工业软件的开发者，需要掌握packML 的程序设计方法。

在本实验中，

1 使用西门子公司的SiOME 或者uaModeling 软件构建一个具有PackML的OPCUA 模型。

2 使用Python 编写一个OPCUA/PackML 服务器。

3 开发一个基于OPCUA/PackML 的HMI 操控程序。

建立模型

为了充分研究PackML 的运作机理，我们建立了一个完整的PackMLBaseObjects。（我们使用的是西门子的SiOME 建模工具。

BaseStateMachine的模型

MachineState模型

ExecuteState 模型

python OPCUA/PackML Server 代码

PackML Server 要完成的主要工作包括

导入Opc.Ua.PackML_Nodeset2.XML

导入OpcUA。PackMLServer_NodeSet2.XML

设置CurrentState

实现 PackML 模型中的Method，通过Method 实现状态转移。

添加MethodCallback

在OpcUa Server 中，从NodeSet2.xml 导入模型后，如果包含了Method 对象，那就需要将一个MethodCallback 链接到MethodNode 。

在python opcua 中使用下列函数：

server.link_method(StartMethodId,func)；

在open62541 中使用下列函数：

UA_Server_setMethodNode_callback(server, nodeId, method);

实例：

下面的程序展示了PackML 的状态变化，在客户端依次调用 start,Hold 和Unhold 方法，PackML 的currentState 依次Idle ->Execute->Held->Execute 变化。

import sys
sys.path.insert(0, "..")
import time
from opcua import ua, Server

def StartCallback(parent,variant):
    #val=variant.Value
    #print(val[0].Value);
    # change Current State From Idle to Execute
    print("Start Callback")
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Execute"]
    ExecuteState=objects.get_child(path)
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","0:CurrentState","0:Id"]
    currentStateId=objects.get_child(path)
    currentStateId.set_value(ExecuteState.nodeid, ua.VariantType.NodeId)
    return 
def  HoldCallback(parent):
    print("Hold Callback")
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Held"]
    HeldState=objects.get_child(path)
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","0:CurrentState","0:Id"]
    currentStateId=objects.get_child(path)
    currentStateId.set_value(HeldState.nodeid, ua.VariantType.NodeId)
    return 
def  UnholdCallback(parent):
    print("Unhold Callback")
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Execute"]
    ExecuteState=objects.get_child(path)
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","0:CurrentState","0:Id"]
    currentStateId=objects.get_child(path)
    currentStateId.set_value(ExecuteState.nodeid, ua.VariantType.NodeId)
    return 
    return 
if __name__ == "__main__":

    # setup our server
    server = Server()
    server.set_endpoint("opc.tcp://127.0.0.1:48400/freeopcua/server/")
    server.import_xml("Opc.Ua.PackML.NodeSet2.xml")
    server.import_xml("OpcUa.PackMLServer.NodeSet2.xml")
    # setup our own namespace, not really necessary but should as spec
    uri = "http://examples.freeopcua.github.io"
    idx = server.register_namespace(uri)

    # get Objects node, this is where we should put our nodes
    objects = server.get_objects_node()
    #path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:Stopped"]
    #StoppedState=objects.get_child(path)
    #print(StoppedState.nodeid.Identifier.numerator)
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Idle"]
    IdleState=objects.get_child(path)
    print(IdleState.nodeid.Identifier.numerator)
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","0:CurrentState","0:Id"]
    currentStateId=objects.get_child(path)
    print(currentStateId.nodeid.Identifier.numerator)
    currentStateId.set_writable()
    currentStateId.set_value(IdleState.nodeid, ua.VariantType.NodeId)
    # Add Satrt Method Callback
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Start"]
    StartMethodId=objects.get_child(path)
    server.link_method(StartMethodId,StartCallback)
    #Add Hold Method Callback
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Hold"]
    HoldMethodId=objects.get_child(path)
    server.link_method(HoldMethodId,HoldCallback)
    #Add UnHold Method Callback
    path=["2:PackMLObjects", "3:TheMachine","2:BaseStateMachine","2:MachineState","2:ExecuteState","2:Unhold"]
    UnholdMethodId=objects.get_child(path)
    server.link_method(UnholdMethodId,UnholdCallback)
    server.load_type_definitions()
    # starting!
    server.start()
    
    try:
        count = 0
        while True:
            time.sleep(1)
        
    finally:
        #close connection, remove subcsriptions, etc
        server.stop()

Python OPC UA/PackML HMI 代码

（待续）