OPC UA技術在高速鐵路起重機械遠程運維中的應用

許俊杰 雷超帆 鄭博

摘 要：針對高速鐵路建設的特點，提出了起重機械遠程運維的思路。OPC UA技術具有良好的系統兼容性，能夠實現多點、多設備的數據采集傳輸，實現了起重機械遠程運維的可操作性。高速鐵路起重機械遠程運維的使用大大提高了運維便捷性，進一步保障了高速鐵路建設的工程進度和安全性。

關鍵詞：OPC UA，起重機械，遠程運維

先進軌道交通裝備是《中國制造2025》十大重點突破發展領域之一，包括架橋機、提梁機、運架一體機等起重機械是高速鐵路建設的核心裝備；根據2016年修訂的《鐵路中長期發展規劃》，預計到2025年，我國高鐵總長將達到3.8萬公里，其中起重機械需求穩步增加[1]。起重機械在鐵路施工的過程中經常遇到偏僻惡劣的工況環境，一旦設備發生故障，維修人員需要花費大量的時間、人力和物力到達工程地點進行現場搶修，成本費用很高。面對現階段高速鐵路起重機械施工過程中的運維迫切需求，亟需開發出一種起重機械遠程運維系統，實現技術人員遠程指導現場人員對起重設備的運行維護[2]。

1 OPC UA技術介紹

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）被稱為多設備系統的“中間件”技術，在過程控制方面有著廣泛的應用，是為工業現場設備、主機控制軟件之間實現快速連接的通信接口技術。然而，大部分的工業現場設備沒有嵌入式系統，無法實現通過COM接口實現遠程數據的傳輸。為了統一雜亂的設備接口協議，實現多系統軟件的有效整合，OPC UA應運而生，其面向服務的架構實現了包括Windows、Linux等多操作系統的兼容橋梁，使數據的傳輸不限于特定系統，實現了數據信息的共享。

2 OPC UA技術應用場景

OPC UA作為一個數據兼容傳輸的中轉技術，可以實現多設備終端與多臺服務器的連接。設備終端可以是傳感器、監控設備、執行設備等，這些設備終端可將數據信息通過OPC UA定義的統一傳輸協議傳輸給指定的服務器，服務器通過對數據的處理，將信息分發給相應的指令終端，實現對設備終端的可控可操作功能。

3 高速鐵路起重機械運維特點

高速鐵路起重機械主要用于在高速鐵路路網建設中，對大型預制件等體積重量大的建設材料進行移位、吊裝，并且這些起重機械會隨著工程進度，不斷的變換工作地點。在這種工況環境下，高速鐵路起重機械的運維有以下幾個特點：

1.作業流動性大，工況復雜，運維人員不便進行維護保養；

2.起重機械存量大，技術人員不能滿足需求；

3.起重機械作額定載荷大，外形尺寸大，型式特殊，非標設計，動作復雜，安全性要求高，需要不同專業技術人員協作進行故障判定；

4.通信協議不統一，集成困難，設備運營商難以對多廠家的起重機械集中管控，無法形成有效全面的大數據分析基礎。

鑒于高速鐵路起重機械運維的特點，采用運維人員遠赴現場進行設備維修的救火方式，既浪費了大量的人力、物力，又造成了工程施工進度的延遲。相比較而言，采用技術專家遠程獲取設備參數來診斷設備故障發生的原因，通過遠程指導現場操作人員進行設備維修的方式，是一種較為經濟、便捷高效的運維方式。

4 OPC UA技術應用實例

4.1 OPC UA 體系架構

基于OPC UA，在遠程運維系統中實現交互信息、使用指令和執行控制。OPC UA是一個平臺無關的標準，使用該標準可在位于不同類型網絡上的客戶端和服務器間發送消息，以實現不同類型系統和設備間的通信。它支持健壯、安全的通信，可確?？蛻舳撕头掌鞯淖R別并抵御攻擊。OPC UA可被映射到不同的通信協議，并對數據可按照不同方式進行以平衡可移植性性和效率。

OPC UA系統結構主要由OPC服務器和客戶端兩個部分組成，每個系統可以包括多個客戶端和服務器。每個客戶端可同時與一個或多個服務器交互，每個服務器可以與一個或多個客戶端交互。一個應用客戶將服務器和客戶端部件組合在一起，以允許與其他服務器和客戶端交互[3]。

在高速鐵路施工現場的遠程運維現場端軟件中同時包括兩個OPC UA客戶端，其中一個OPC UA客戶端和起重機械控制系統的PLC內置OPC Server進行實時數據采集和本地的數據監控[4]；另外一個OPC UA客戶端和遠程監控中心的OPC UA服務端進行數據交換[5]。在遠程運維監控中心中可以包括多個服務端，每個服務器可以管理服務多個起重機械遠程運維的客戶端，實現區域內的數據傳輸交換和信息互聯互通[6]。OPC UA系統結構如圖1所示。

OPC UA提供了一致和完整的地址空間、服務模型和安全模型，允許一個個單一的OPC UA服務器把數據、報警與事件和歷史信息統一到它的地址空間里[7]，這些包括數據、報警、事件和歷史數據的地址空間可以用一套統一的服務為它們向外提供接口，以實現其他系統對數據訪問的一致性和便捷性。

網絡通信和數據編碼模塊（通信棧）可實現數據的編碼、加密和傳輸，安全及配置模塊可實現服務器啟動時配置各項參數，建立起服務器與客戶端之間的唯一數據傳輸方式。系統的地址空間和數據存儲模塊構建與現實對象相對應的地址空間，并根據不同的任務創建相應的視域，采集并保存現場設備的實時數據和歷史數據以及服務器的配置[8]。

4.2 遠程運維系統

遠程運維最為主要的功能是實現技術人員與現場操作人員的遠程溝通，也就是實現信息的互聯互通和信息對等。信息對等是進行遠程運維的第一步，假如技術人員不能全面、準確的了解設備出現的問題以及出現問題的原因，就無法制定詳細并符合現場實際情況的維修方案。依賴OPC UA技術，還原現場實時和歷史工況數據，為遠程故障診斷和遠程控制修復提供了通道。

在遠程運維的現場端軟件中，利用OPC UA技術，實現對不同傳感器和現場層傳輸原始數據和預處理的信息的統一采集方式，實現了數據的統一性。在遠程運維的監控中心，通過搭建OPC UA服務的方式，面向服務的架構的（SOA）設計范例方式實現和多系統的數據交換。

5 結語

基于OPC UA技術的遠程運維系統，可使起重機械技術人員像在現場一樣隨時隨地對設備狀態進行了解，制定相關維修方案；同時，該系統能夠記錄設備在正常情況下的運行狀態，實現對其能耗、溫度、壓力等數據的實時監測，為高速鐵路機械設備的遠程運維、故障報警和預警功能提供數據基礎，避免在故障發生后由于技術人員不能第一時間獲取故障信息所帶來的巨大損失。更為重要的是，在實現設備遠程監控、遠程維護的過程中所收集到的大量的設備運行參數，能夠為設備制造商對后續產品的升級優化提供大量的數據支持，使企業根據現有數據成功預測未來市場的發展動向和關鍵技術，并進行相應的改革升級，給起重機械技術的創新帶來更快的速度、更高的效率、更高的成本、更具遠見的洞察能力。

參考文獻

[1]佚名. 鐵路設備面臨巨大發展機遇[J]. 機械工程師， 2006（12）：6-7.

[2]秦亞邦. 論安裝企業起重機械安全管理[C]// 2011中國安裝行業高層論壇. 2011.

[3]李東風. 嵌入式高清視頻前端及其遠程控制的設計與實現[D]. 南京郵電大學， 2011.

[4]南京鐵路運輸學校編. 通信電源[M]. 中國鐵道出版社， 1980.

[5]李涵， 呂英杰. 實驗室屏幕安全監控系統軟件[J]. 中國科技信息， 2015（11）：59-60.

[6]劉樺. 互聯互通的管制機理研究[D]. 北京郵電大學， 2005.

[7]秦碩碩. 支持EDDL技術的OPU UA服務器地址空間及設備集成模型的研究及開發[D]. 華北電力大學， 2012.

[8]陸會明， 閻志峰. OPC UA服務器地址空間關鍵技術研究與開發[J]. 電力自動化設備， 2010， 30（7）：109-113.

作者簡介

許俊杰，男，鄭州大學機械工程學院研究生，主要研究方向為機械電子技術及工業物聯網.

雷超帆，男，鄭州大學機械工程學院研究生，主要研究方向為機械設計及理論.

鄭博，男，鄭州大學機械工程學院碩士，中原工學院講師，主要研究方向為機械電子技術及工業物聯網.