基于OPC技術的飛機自動化裝配生產線的數據采集

王 平，李汝鵬，邢宏文

（上海飛機制造有限公司，上海201324）

隨著我國航空工業的飛速發展以及航空裝備自動化程度的提高，自動化裝配生產線在飛機裝配現場得到了廣泛應用，飛機在裝配過程中產生的信息主要包括設備實時狀態、裝配工藝流程信息、排產信息等，采集這些信息是進行現場設備監控、質量管理、生產狀態分析的前提和基礎，也是實施MES系統不可或缺的條件。如何對裝配過程中產生的海量數據進行實時采集和統計分析，以便實現設備與質量的精細化控制與管理，是國內多數航空企業迫切需要解決的問題。因此，必須通過創建面向飛機自動化裝配生產線的數據采集系統，實時收集和處理分析生產過程中的海量數據，從而為飛機裝配的生產、管理和決策提供可靠的數據依據。本文將針對多條飛機自動化裝配生產線的不同控制設備，研究其運行過程數據采集方法，制定相應的接口規范，基于通用的工業標準（OPC），借助成熟的數據采集軟件，實時從設備層采集生產線設備運行參數，并將采集到的設備數據實時存儲到SQL數據庫中，為后續的設備狀態實時監控、統計分析和管理決策提供數據基礎。

1 OPC技術簡介

在工業自動化產品日益豐富的今天，越來越多的控制設備、傳感器、智能儀表等出現在工業控制的各個現場，一般而言，一個工業控制系統會使用來自不同廠家的產品，不同廠家產品之間的通信協議很難保證一致，不同制造系統之間的差異更大，要實現控制系統的信息集成，需要針對不同廠家的產品開發大量的專用驅動程序，而且一旦產品硬件發生變化，需要重新為新硬件開發相應的驅動程序，產品的靈活性和重用性差，浪費大量的人力物力，不利于產品的更新換代和集成開發。為解決這個問題，國際上一些主要的自動化設備及儀器儀表供應商于1996年8月成立了OPC基金會，其目標就是制定一個統一的工業控制系統通信接口標準（即OPC規范），即后來出現的OPC技術。

OPC的全稱是OLE for Process Control，OPC是一個以COM/DCOM技術為基礎的工業標準接口，由OPC服務器和OPC客戶端兩部分組成[1]，OPC服務器與數據源連接，數據源包括PLC、DCS、智能儀器等控制設備，OPC服務器通過工業標準的通信協議，采集現場設備數據，并通過自己的接口提供給用戶；OPC客戶端通過OPC接口實現對OPC服務器的訪問，讀取OPC服務器提供的數據。標準的OPC規范包括以下內容：數據存取規范、報警與事件存取規范、歷史數據和批量數據存取規范、服務器數據交換規范等[2]。OPC技術主要應用于在線數據監測、歷史數據訪問、報警和事件處理、遠程數據訪問等幾大工控領域[3]。

飛機自動化裝配生產線由于集成制造商和控制系統的不同，每條生產線的控制系統相互獨立且數據接口各異，因此，為實現多條飛機自動化裝配生產線數據的實時采集，OPC技術成為理想的選擇。

2 數據采集系統

本文基于OPC技術，開發了一套數據采集系統，該系統主要由數據采集網絡、數據采集軟件和數據采集數據庫三部分組成。數據采集系統架構如圖1所示。

圖1 數據采集系統架構

2.1 數據采集對象

本文研究的數據采集對象為多條不同的飛機自動化裝配生產線，根據生產線集成制造商提供的數據采集接口，可以將采集設備分為數字化工位、數字化設備和數字化工裝三大類，每一類設備的數據采集字段如表1。

通過對采集設備的抽象分類和對采集數據字段進行標準化，大大提高了數據采集的效率，便于采集數據的集成分析管理。另外，標準化的數據接口，很好地規避了因設備廠商的不同帶來的數據采集對象種類繁多、接口標準不統一的現象，便于實現采集數據的擴展和存儲。

2.2 數據采集網絡

飛機自動化裝配生產線由于集成制造廠商的不同，生產線的工業控制網絡相互獨立，因此，搭建數據采集網絡是數據采集的基礎。本文研究采用了NAT技術，即網關和網絡地址轉換技術，可以實現不同IP段的工業控制網絡的互聯，NAT作為一種實用的技術，有多種不同的實現方法，主要包括：（1）作為一臺獨立的NAT設備；（2）作為防火墻的一個功能塊；（3）集成于操作系統中，通過用戶配置實現；（4）在邊緣路由器上實現。NAT包含三種類型：靜態NAT、動態NAT、網絡地址端口轉換NAPT，本文采用靜態NAT設置，每條生產線的每臺控制設備均被永久映射為采集網絡中的一個IP地址，搭建的數據采集網絡如圖2所示。

圖2 數據采集網絡

2.3 數據采集軟件

本文采用的數據采集OPC服務器為Kepware Technologies公司開發的KEPServerEX，Kepware公司將多種通信協議制作成150多種驅動插件集成安裝在KEPServerEX服務器中，供用戶選擇安裝使用，實現即插即用。用戶可根據現場使用的硬件設備選擇性安裝相應的驅動程序，支持上千種常見工業設備，實現了一般OPC服務器所欠缺的通用性[4]。KepwareEX數據統一訪問技術使用戶可以采用一種服務器訪問多種現場控制設備、儀表，具有極好的通用性[5]。KEPServerEX服務器架構如圖3所示。

圖3 KEPServerEX服務器架構

服務器對象通過分組的方式進行管理，一個服務器包含一個或多個組對象，同時包含自身的設置和狀態信息；組對象包含一個或多個項對象，同時包含自身的設置和狀態信息；項對象是服務器與設備數據源之間的連接，由組對象管理和操作[6]。

飛機自動化裝配生產線數據采集組態如圖4所示。

圖4 KEPServerEX服務器組態

2.4 數據采集數據庫

KEPServerEX自帶DataLogger插件，用戶可自定義數據采集的變量、采集周期，同時，該插件提供了訪問SQL數據庫的接口，可實現采集數據的自動批量寫入數據庫，KEPServerEX數據采集和記錄示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 數據采集示意圖

根據本文2.1對采集設備的分類，分別采用3個記錄模塊進行數據記錄，數據記錄的內容包括字段名稱、字段值、字段編號、時間戳和字段質量等。同時增加一個專用的數據記錄模塊，用于記錄數據，記錄模塊狀態、數據采集通道狀態、設備連接狀態和數據讀寫統計狀態等信息。啟用數據記錄模塊后，采集數據將按照數據記錄模塊的觸發周期，自動寫入數據記錄數據庫中，從而實現采集數據的自定義歸檔，便于上位系統的讀取和分析統計。

3 結論

（1）本文針對多條飛機自動化裝配生產線，對多種不同的控制設備進行統一分類并制定了數據采集接口標準。

（2）基于網關和NAT技術搭建了數據采集網絡。

（3）使用成熟的商業OPC服務器KEPServerEX，實現了飛機自動化裝配生產線的數據采集。

（4）將采集數據存儲到數據庫中，為設備實時監控、設備歷史數據統計分析及統一集成管理提供了強大的數據支持。

（5）該套數據采集系統已成功地應用于飛機自動化裝配現場，為飛機的自動化裝配提供了強大的數據支持。

（6）根據現場采集到的數據，成功地搭建了飛機自動化裝配生產線的SCADA系統。