基于OPC UA的紡織智能染整車間信息模型研究與實現

李 鋒， 張 坤， 原麗娜

(東華大學 計算機科學與技術學院， 上海 201620)

我國是世界上最大的紡織品出口國，近年來，智能制造、綠色制造、可持續發展正成為紡織染整行業發展的主旋律[1]，但目前國內的紡織染整系統中，染整設備間缺乏互聯互通，設備層之間信息無法共享[2]，亟待實現設備與設備間、設備與系統間的互聯互通，建立智能染整車間，推進智能染整的發展。

實現設備間互聯互通的關鍵是對各物理設備進行抽象，形成設備的信息模型，使得一種類型的設備對外呈現標準的接口，并在此基礎上建立通信規范，而OPC UA由于其特有的優點，正成為公認設備建模和制定通信規范的潛在解決方案[3]。

OPC UA是一套安全、可靠且獨立于制造商的平臺，用于工業通信的數據交互規范[4]。該規范使得不同操作系統、不同制造商的設備之間可以進行數據交互，由于其開放性與完整性而被廣泛認可。GB/T 33863.1—2017《OPC統一架構》正式發布，并于2018年2月1日正式實施[5]。目前主流的自動化廠商，通信公司，協會組織，全球主要的現場總線基金會如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII等，均支持與OPC UA的融合與開發工作。

對于解決數字化車間信息建模及統一的通信接口問題，國內外工業學術領域正在進行積極研究探索。信息建模方面主要有CIM-OSA[6]、UML、OPC UA 3種體系，可以初步滿足數字化車間建模需求，但CIM-OSA仍處于試驗階段，過于強調形式化且較難掌握。UML在軟件系統開發方面應用較為廣泛，但缺乏對于動態效果的支持。而OPC UA目前正處于快速發展期，既能解決建模問題又可以解決數據傳輸統一通信協議的問題，可以很好地滿足面向智能制造的數字化車間信息模型的需求。

波蘭自動化裝備公司CAS開發了可視化OPC UA信息模型顯示工具；德國UA公司開發了OPC UA自動化建模工具UaModeler。Pauker等[7]在文獻中介紹了描述制造系統的動態和靜態行為的OPC UA信息模型的建立方法。張兆坤等[8]對數字化車間信息模型的建模方法進行了探討，但是在具體模型與染整設備關系對應上還缺乏實踐性的探索。蘇延召等[9]提出了以OPC UA為標準接口構建系統的抽象框架。Salvatore等[10]則將OPC UA協議應用于客戶端和服務器之間數據建模。 Andreas等[11]實現了將OPC UA信息模型應用于樓宇自動化系統。國內近些年也有不少將OPC UA應用到煤礦安全監控領域的方案。

綜上所述，國內外雖然有一些關于OPC UA信息模型的研究與應用，但在紡織染整領域還存在空白，本文則將OPC UA應用于紡織染整領域，對常用的幾種染整設備建立了其信息模型，從而為設備間、設備與系統間互聯互通奠定基礎，促進設備聯網和染整智能車間的建立。

1 紡織智能染整車間系統介紹

現代紡織品染整是借助機械設備，通過化學或物理的方法對坯布進行處理的過程。機織物染整加工主要包括4大過程：前處理、染色、印花和后整理。生產方式分為連續式生產和間歇式生產，2種生產方式分別對應平幅連續生產線裝備和平幅間歇式生產裝備。

本文主要研究對象是平幅連續生產線裝備。紡織智能染整車間系統主要是由制造執行系統(MES)和染整設備組成，染整設備主要包括：退煮漂機、絲光機、染色機、印花機和定形機。每種機器又由一些相關的監控單元組成，如退煮漂機則包括車速監控單元、水洗槽監控單元、汽蒸箱監控單元等。智能染整車間系統圖如圖1所示。

圖1 染整車間系統圖Fig.1 Dyeing and finishing workshop application scene model

本文通過構建染整車間設備信息模型，對染整設備進行抽象，建立其數字模型，形成染整設備對外傳輸數據的OPC UA統一接口[12]，進而實現染整設備信息的互聯互通。

2 紡織智能染整車間系統建模

2.1 紡織智能染整車間模型抽象

OPC UA強大的信息建模能力體現在能夠展示豐富有效的數據語義，OPC UA建模是基于元模型[13]，元模型是各個節點之間相互引用的信息模型基礎[14]。OPC UA框架中總共有8種節點，如本文主要用到對象節點、變量節點、方法節點等。用戶可以根據元模型來拓展自己需要的數據結構，根據實際應用的場景來定義自己需要的類型。信息模型定義就是利用元模型拓展出來的領域特定類型和約束，明確定義相應元模型、屬性及方法，從而形成設備對外的統一服務接口。

根據上文提出的紡織染整車間系統圖，可以得出染整車間系統的主要機器設備類型及其附屬單元的關系。每個紡織染整設備物理模型含有若干部件、物理屬性及各類操作，每個部件又包含其他的子部件和物理屬性、信息模型與之對應，對紡織染整設備進行抽象和描述，定義了方法、屬性、屬性集、單元、引用信息模型元素。信息模型元素與紡織染整機器物理模型關系如圖2所示。

圖2 設備物理模型與設備信息模型對應關系Fig.2 Correspondence between information model and textile equipment

紡織染整設備的信息模型由若干監控單元和屬性組成。屬性分為“設備公有屬性”和“設備私有屬性”；“設備公有屬性”即為定義出幾種染整設備共有的屬性；“設備私有屬性”是指每種染整設備獨有的設備屬性。監控單元也包含“監控單元公有屬性”和“監控單元私有屬性”。染整智能設備信息模型結構如圖3所示。

圖3 染整智能設備信息模型結構Fig.3 Dyeing and finishing intelligent equipment information model structure

2.2 紡織智能染整車間OPC UA信息建模

依據信息建模的規范及前文所敘述的染整車間的OPC UA信息框架，首先抽象出“染整設備類型”這一元模型，作為5種機型的公共屬性的集合，繼承于OPC UA標準中的BaseObjectType[16](見圖4)。退煮漂機類型、絲光機類型、染色機類型、印花機和定形機5種機器類型都是通過繼承“染整設備類型”，進而共享染整設備公有的屬性。

對于各個設備中所涉及到的基本監控單元，同樣抽象出一個公共的“監控單元類型”(見圖5)，用于定義監控單元的通用屬性：單元名稱和編號等。監控單元類型同樣繼承于BaseObjectType，而溫度監控單元、氣壓監控單元、壓力監控單元等21個監控單元均繼承于“監控單元類型”。

圖4 染整設備類型信息模型Fig.4 Information model of dyeing and finishing equipment type

圖5 監控單元類型模型Fig.5 Monitoring unit type model

根據上文提取的染整設備模型及監控單元模型，本文對平幅連續生產車間構造出其染整信息化模型(見圖6)，其中5種設備類型都繼承了染整設備公有屬性，每種機型內包含的監控單元均繼承了監控單元公有屬性，這些對象在信息模型中以內存空間地址的方式展現出來，以此達到信息統一的表示。同時每種設備的特殊屬性則定義為其各自的私有屬性。

圖6 染整車間實例化信息模型Fig.6 Dyeing and finishing workshop instantiation information model

3 信息模型在紡織染整車間的應用

3.1 紡織智能染整車間系統模型實例化

系統模型實例化即針對某一具體設備，將抽象的信息模型實例化為實際的數據接口，圖7示出絲光機信息化模型的實例圖，包括公有屬性和私有屬性，由于篇幅限制只畫出了部分私有變量節點及對象單元節點。 圖8示出溫度監控單元的實例化信息結構描述，包括公有屬性和私有屬性，其他監控單元也與此相似。

圖7 絲光機實例化模型Fig.7 Mercerized machine instantiation model

圖8 溫度監控單元實例化信息Fig.8 Temperature monitoring unit instantiation information

在上文中實例化模型之后，本系統建模采用德國Unified Automation 公司提供的UaModeler工具對上述染整設備和單元模型完成建模，UaModeler能夠根據創建的信息模型自動生成對應的XML文件，并且包含了所有OPC UA內置的標準類型節點，同時允許用戶拓展特定領域自定義的類型。圖9示出用UaModeler建立的絲光機的模型圖。

圖9 絲光機UaModele模型Fig.9 UaModele model of Mercerizing machine

本方案使用XML文件描述信息模型，通過可拓展和自描述的特性對數據和文檔進行結構化處理，使得模型可更好地跨系統、跨語言使用。

3.2 OPC UA模型在染整車間應用案例

紡織智能染整車間基本框架如圖10所示，分為生產過程執行管理系統(MES)層和設備層。

圖10 染整車間系統架構Fig.10 Dyeing and finishing workshop system architecture

生產過程執行管理系統在框架的頂端，在智能車間中負責對下層設備進行統一管理，提供計算服務。MES的主要功能包括：設備數據收集和設備的運行狀態顯示，并向設備發送控制命令，控制各設備工作，承擔設備狀態管理，生產管理及運行數據采集和分析等網絡管理核心功能。監控管理設備，提供GUI管理界面，用于整個網絡的配置、管理、運行操作。

在本方案中MES系統被視為OPC UA的客戶端，結構包括OPC UA客戶端應用程序、OPC UA通信棧、OPC UA客戶端API。

客戶端應用程序使用API調用設備提供的符合OPC UA協議服務，通信棧將客戶端的API調用轉換成消息，并通過底層發送給設備服務層。MES與設備的交互有2種方式：一種是客戶端的服務請求，服務請求經底層通信實體發送給OPC UA通信棧，通過OPC UA服務器接口調用請求或響應服務，請求的任務將在服務器的地址空間中執行，執行完成后返回一個響應消息。另外一種為發送發布請求，請求服務器發布數據或通知消息，發布請求經過底層通信實體發送給OPC UA通信棧，通過OPC UA服務器接口發送給預定端，當預定指定的監測項探測到數據變化或者事件、報警發生時監視項生成一個通知發送給預定并由預定發送給客戶。

設備端代表智能染整設備，由網關、設備控制器和設備3部分組成。在本方案中，設備指5類典型染整設備：絲光機、退煮漂機、印花機、染色機和定形機。

由于許多傳統染整設備沒有符合OPC UA標準的接口，即非OPC UA標準設備，為此設計了OPC UA網關，用于對外提供OPC UA服務。

網關用于設備節點與系統之間互聯所需要的協議轉換裝置，通常具有數據轉換功能、安全功能、數據定義、網關管理維護功能。在該方案中，設備控制器代表設備的控制和數據采集執行機構，如可編程邏輯控制器(PLC)等設備自身的控制板。

從消息服務機制上講，這里每個網關都是OPC UA服務器，采用OPC UA服務器機制向MES等車間系統提供各設備的狀態數據、歷史數據、報警和事件信息，并接受MES等系統控制命令，完成設備的相應功能。

在一些現有設備中有時會具備1個以上的獨立設備控制器，如在一些退煮漂機中，溫度和壓力等是獨立的控制器，針對運布的動力機構則是采用獨立的PLC控制機構。因此在圖10中，需要考慮對一個設備多個控制器的綜合，然后通過網關進行協議轉換，對外提供OPC UA標準服務。

OPC UA通過通信棧來傳輸消息，通信棧中的傳輸協議采用TCP/IP方式，傳輸協議與平臺是獨立的，并且能跨越防火墻。OPC UA使用面向服務的體系結構(SOA)，實現了跨Internet的數據交換系統。根據OPC UA的技術體系規范，在系統和設備間的車間級網絡體系中，采用了傳輸控制協議/互聯網協議(TCP/IP)網絡通訊。

網關和原設備控制器間的通信為現場設備級網絡，可采用現場總線、工業以太網。

現場總線。IEC61784標準中定義的現場總線可在現場設備級網絡中應用，如Modbus、RS485等。

工業以太網。IEC61784標準中定義的工業以太網可在現場設備級網絡中應用，如Modbus/TCP、PROFINET、EtherCAT、Ethernet等。

設備控制器和設備之間則是采用內部總線模式，大都為設備的私有協議。

4 結束語

基于OPC UA協議，以退煮漂機、絲光機、染色機、印花機和定形機5種典型設備為例，建立了設備的OPC UA信息模型，確定了設備的統一數據服務接口，并在此基礎上建立了紡織智能染整車間系統，該模型已經在企業中得以實際應用。

該模型還可以推廣到其他紡織機械領域，解決紡織設備互聯互通的問題，為紡織設備接入工業互聯網最后通道奠定了基礎，促進工業物聯網在紡織行業的發展。

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