基于OPC UA的簇絨地毯織機(jī)設(shè)備互聯(lián)互通的研究與實(shí)現(xiàn)

郭 祥，郗欣甫，孫以澤

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

簇絨地毯織機(jī)車間內(nèi)普遍存在不同機(jī)臺(tái)型號(hào)且控制系統(tǒng)各異的簇絨地毯織機(jī)，不同控制系統(tǒng)通信協(xié)議相對(duì)獨(dú)立，數(shù)據(jù)在車間層級(jí)之間的傳輸格式無(wú)法統(tǒng)一，導(dǎo)致車間內(nèi)信息集成難度大，嚴(yán)重阻礙了簇絨地毯織機(jī)車間的智能化升級(jí)。雖然針對(duì)異構(gòu)設(shè)備控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中間件適配器的方案能在一定程度上實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議和接口的統(tǒng)一[1]，但是仍存在開(kāi)發(fā)難度大、信息集成效率低等問(wèn)題，未能實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。因此，簇絨地毯車間異構(gòu)設(shè)備間數(shù)據(jù)采集集成與標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題亟待解決。

OPC UA因?yàn)槠淦脚_(tái)無(wú)關(guān)性、訪問(wèn)統(tǒng)一性和良好的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于OPC UA技術(shù)的研究與應(yīng)用較為廣泛，沈南燕等[2]基于OPC UA架構(gòu)研究了工業(yè)機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；徐兵兵[3]將OPC UA技術(shù)應(yīng)用到SCADA系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊；歐洲塑料與橡膠制造商推出了以O(shè)PC UA為基礎(chǔ)的EUROMAP77標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了注塑機(jī)與MES之間進(jìn)行交互的設(shè)備接口[4]。隨著OPC UA技術(shù)的快速發(fā)展，OPC UA技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用到紡織行業(yè)中，汪松松等[5]基于OPC UA框架建立了針織裝備信息模型，介紹了OPC UA的互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)方法。但是在簇絨地毯行業(yè)中，對(duì)簇絨地毯織機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與信息集成系統(tǒng)的研究較少。

設(shè)計(jì)一套規(guī)范而有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將有助于簇絨地毯織機(jī)車間中信息集成，使得車間內(nèi)設(shè)備信息能夠基于統(tǒng)一的通信接口進(jìn)行傳輸，增強(qiáng)地毯織機(jī)設(shè)備的可擴(kuò)展能力，降低車間數(shù)據(jù)信息集成難度和管理成本。本文基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)框架，建立語(yǔ)義一致的標(biāo)準(zhǔn)化簇絨地毯織機(jī)信息模型，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)簇絨地毯織機(jī)的統(tǒng)一接口模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)化集成方法提供統(tǒng)一交互模式，更加方便和高效的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備系統(tǒng)之間信息集成和互聯(lián)互通[6]，解決車間內(nèi)各層級(jí)之間數(shù)據(jù)語(yǔ)義無(wú)法統(tǒng)一的難題。

1 簇絨地毯織機(jī)信息建模

1.1 簇絨地毯織機(jī)信息模型框架

信息集成與互聯(lián)互通是消除信息孤島、實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化和智能化的重要基礎(chǔ)和保障[7]，而其中的關(guān)鍵就是建立相對(duì)統(tǒng)一且語(yǔ)義規(guī)范的信息模型。OPC UA通過(guò)信息模型封裝了數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程的語(yǔ)義一致性。OPC UA建模是基于元模型的面向?qū)ο蟮姆绞絒8]，依據(jù)OPC UA信息建模原則和規(guī)范，抽象出簇絨地毯織機(jī)設(shè)備元模型，簇絨地毯織機(jī)類型可分為特征對(duì)象屬性集和組件對(duì)象集兩部分。簇絨地毯織機(jī)屬性集可再分為靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集、配置屬性集，其每個(gè)屬性集又包含各自的屬性及屬性集。簇絨地毯織機(jī)組件對(duì)象集根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)和功能要素拆分為多個(gè)組件，每個(gè)組件又包含了自身的屬性集和子組件。

簇絨地毯織機(jī)的信息模型結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。靜態(tài)屬性集主要包括簇絨地毯織機(jī)設(shè)備的通用基礎(chǔ)信息和私有屬性集，其私有屬性集包括簇絨地毯織機(jī)的毯面幅寬、針排型式和提花類型等信息；過(guò)程屬性集除了表示設(shè)備運(yùn)行特性信息外，還有當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程信息，當(dāng)前過(guò)程生產(chǎn)信息主要包含訂單信息、產(chǎn)量信息、花型信息和班次信息等地毯生產(chǎn)織造相關(guān)信息；配置屬性集主要包括設(shè)備管理、通訊地址和協(xié)議及安全設(shè)置信息。

圖1 簇絨地毯織機(jī)信息模型架構(gòu)

簇絨地毯織機(jī)組件集包含集合結(jié)構(gòu)自身并可以引用子結(jié)構(gòu)或組件信息，根據(jù)其物理模型功能要素拆分為多個(gè)組件，每一個(gè)組件又包含了自身的屬性集。組件集分為提花控制系統(tǒng)對(duì)象集、針排橫移系統(tǒng)對(duì)象集、主軸控制系統(tǒng)對(duì)象集、底布進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)象集[9]以及輔助控制系統(tǒng)對(duì)象集。每個(gè)子組件對(duì)象集又可根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)細(xì)分為若干個(gè)對(duì)象，每個(gè)對(duì)象又有相應(yīng)的屬性集、屬性和方法等信息。

簇絨地毯織機(jī)信息模型對(duì)屬性集和組件集都規(guī)定了建模方法，以過(guò)程屬性集為例，屬性如表1所示。

表1 地毯織機(jī)過(guò)程屬性表

1.2 簇絨地毯織機(jī)信息模型描述

根據(jù)設(shè)備信息建模規(guī)則以及地毯織機(jī)信息模型架構(gòu)，采用可視化建模工具UaModeler對(duì)簇絨地毯織機(jī)信息模型框架進(jìn)行編輯。在建模工具中自定義單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)命名空間，地毯織機(jī)對(duì)象類型（Carpet）繼承于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)下的BaseObjectType，定義在ObjectType下的FolderType中，Carpet與其屬性集和組件集通過(guò)HasComponent引用關(guān)聯(lián)。簇絨地毯織機(jī)建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 簇絨地毯織機(jī)信息建模結(jié)果

為使得簇絨地毯織機(jī)信息模型能跨平臺(tái)、以統(tǒng)一的方式在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行傳輸，需要采用一致的格式來(lái)描述簇絨地毯織機(jī)信息模型，XML語(yǔ)言由于具有良好的數(shù)據(jù)組織格式、擴(kuò)展性、廣泛適用性以及面向?qū)ο蟮葍?yōu)點(diǎn)[10]，滿足對(duì)設(shè)備信息模型的統(tǒng)一映射實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間信息共享的要求，因此本文采用XML語(yǔ)言來(lái)描述簇絨地毯織機(jī)信息模型。圖3為簇絨地毯織機(jī)信息模型生成的XML文件部分文本，該部分內(nèi)容描述了簇絨地毯織機(jī)過(guò)程屬性集所包含的內(nèi)容信息。

圖3 簇絨地毯織機(jī)過(guò)程屬性集XML文檔

2 簇絨地毯織機(jī)數(shù)字化車間信息互聯(lián)互通架構(gòu)

OPC UA不僅可以快速解決設(shè)備的信息建模問(wèn)題，而且還可用作數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕y(tǒng)一通信協(xié)議[11]。OPC UA的基本通信模式是一個(gè)Client和一個(gè)Server組合成C/S架構(gòu)，而在簇絨地毯織機(jī)數(shù)字化車間中，設(shè)備層每一臺(tái)設(shè)備都作為OPC UA Server運(yùn)行，服務(wù)層的OPC UA聚合服務(wù)器作為基于計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)立可執(zhí)行應(yīng)用程序，連接多臺(tái)設(shè)備層簇絨地毯織機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)服務(wù)層軟件系統(tǒng)和底層設(shè)備之間的互聯(lián)互通。另外，基于OPC UA SDK的軟件開(kāi)發(fā)，可根據(jù)簇絨地毯織機(jī)的信息模型與車間MES系統(tǒng)整合開(kāi)發(fā)可視化OPC UA客戶端，形成一個(gè)龐大的OPC UA網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通。簇絨地毯織機(jī)車間互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 簇絨地毯織機(jī)數(shù)字化車間互聯(lián)互通應(yīng)用架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)簇絨地毯織機(jī)車間數(shù)據(jù)互聯(lián)互通主要考慮兩種類型的設(shè)備：一種是支持OPC UA協(xié)議的簇絨地毯織機(jī)可以直接使用OPC UA實(shí)現(xiàn)的客戶端獲取數(shù)據(jù)。如簇絨地毯織機(jī)車間內(nèi)使用倍?？刂破髯鳛橹骺叵到y(tǒng)的地毯織機(jī)，倍福控制器TwinCAT內(nèi)嵌了OPC UA，對(duì)TwinCAT的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行服務(wù)器部署，并對(duì)數(shù)據(jù)變量做相應(yīng)設(shè)置，OPC UA客戶端便可直接訪問(wèn)倍福PLC從而獲取設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，改善了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。第二種是不支持OPC UA協(xié)議的簇絨地毯織機(jī)，則通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層之上實(shí)現(xiàn)OPC UA服務(wù)器，在服務(wù)器內(nèi)部集成底層設(shè)備的通信驅(qū)動(dòng)，完成信息模型到地址空間的映射，再將數(shù)據(jù)通過(guò)OPC UA協(xié)議發(fā)送出去。

簇絨地毯織機(jī)設(shè)備的控制器負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每臺(tái)設(shè)備上的OPC UA Server不斷獲取控制器的數(shù)據(jù)并更新，聚合服務(wù)器向上層網(wǎng)絡(luò)提供OPC UA服務(wù)功能，向下層網(wǎng)絡(luò)收集設(shè)備層采集的數(shù)據(jù)[12]，聚合服務(wù)器處理OPC UA客戶端的服務(wù)請(qǐng)求并分發(fā)子任務(wù)給底層設(shè)備的基礎(chǔ)OPC UA服務(wù)器。車間MES系統(tǒng)或用戶作為OPC UA客戶端執(zhí)行并監(jiān)控生產(chǎn)需求，同時(shí)將從聚合服務(wù)器獲取的設(shè)備層數(shù)據(jù)持久化保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，供應(yīng)用層數(shù)據(jù)展示和分析使用。

3 簇絨地毯織機(jī)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)

3.1 簇絨地毯織機(jī)服務(wù)器的開(kāi)發(fā)

簇絨地毯織機(jī)車間內(nèi)的信息集成和互聯(lián)互通的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息在不同網(wǎng)絡(luò)層次的設(shè)備和系統(tǒng)之間的一致性傳輸。簇絨地毯織機(jī)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一接口的實(shí)現(xiàn)可使得數(shù)據(jù)傳輸以同一格式描述，其主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容包括建立簇絨地毯織機(jī)設(shè)備信息模型，OPC UA服務(wù)器和OPC UA客戶端三部分。簇絨地毯織機(jī)OPC UA服務(wù)器的開(kāi)發(fā)模型如圖5所示。

高等教育作為現(xiàn)代國(guó)民教育序列中頂端的組成部分，其教育質(zhì)量和教育水平很大程度上決定著我國(guó)教育現(xiàn)代化的進(jìn)程，當(dāng)前逐步開(kāi)始朝著“內(nèi)涵式發(fā)展”的方向轉(zhuǎn)型。在此，正如黨的十九大報(bào)告對(duì)高等教育發(fā)展所要求的，進(jìn)一步“加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)，實(shí)現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展”［1］。高等教育供給側(cè)改革指的是一種注重從高等教育的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、以質(zhì)量為核心，確保高等教育質(zhì)量能夠整體上充分適應(yīng)中國(guó)特色社會(huì)主義道路發(fā)展的改革思路。

圖5 簇絨地毯織機(jī)OPC UA服務(wù)器開(kāi)發(fā)模型

在獲得簇絨地毯織機(jī)信息模型文檔的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地址空間編譯的方式是將XML文件放入開(kāi)源庫(kù)Open62541指定文件夾下經(jīng)過(guò)指令編譯得到可被C語(yǔ)言程序調(diào)用的庫(kù)文件，并引用到工程中，從而實(shí)現(xiàn)將簇絨地毯織機(jī)信息模型整合到服務(wù)器。

實(shí)現(xiàn)基于簇絨地毯織機(jī)信息模型的OPC UA服務(wù)端，對(duì)采集到的簇絨地毯織機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù)映射到OPC UA服務(wù)器中的地址空間相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，OPC UA服務(wù)器按照如下流程實(shí)現(xiàn)：

1）用UA_ServerConfig_new_default()方法創(chuàng)建一個(gè)config，設(shè)定服務(wù)器端口號(hào)、安全證書(shū)和簽名方式等配置，調(diào)用UA_Server_new(config)方法初始化服務(wù)器；

2）根據(jù)創(chuàng)建的簇絨地毯織機(jī)信息模型XML描述文件包含的信息，判斷簇絨地毯織機(jī)服務(wù)器狀態(tài)碼與UA_STATUSCODE_GOOD是否相等，若相等則調(diào)用UA_Server_addObjectNode()創(chuàng)建簇絨地毯織機(jī)對(duì)象節(jié)點(diǎn)；

3）數(shù)據(jù)采集線程調(diào)用底層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的API獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)綁定到地址空間中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)地址空間信息模型獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到的簇絨地毯織機(jī)設(shè)備過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，調(diào)用OPC UA訂閱與監(jiān)控服務(wù)更新對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)變量數(shù)值；

4）調(diào)用UA_Server_run(server，&running)方法開(kāi)啟服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)服務(wù)，控制臺(tái)顯示界面返回訪問(wèn)服務(wù)器地址空間的URL。圖6顯示的是OPC UA客戶端連接上OPC UA服務(wù)器之后的控制臺(tái)輸出信息，界面顯示了新連接服務(wù)器的客戶端IP地址，輸出服務(wù)器和客戶端成功建立安全通道和激活會(huì)話的提示信息，等待進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟僮鳌?/p>

圖6 基于OPC UA簇絨地毯織機(jī)服務(wù)器運(yùn)行圖

服務(wù)器綁定數(shù)據(jù)源有手動(dòng)更新、變量值回調(diào)和可變數(shù)據(jù)源三種方法[13]。簇絨地毯織機(jī)OPC UA服務(wù)器的地址空間中變量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的更新通過(guò)數(shù)據(jù)源來(lái)實(shí)現(xiàn)。OPC UA服務(wù)器開(kāi)啟多線程，將設(shè)備數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)行整合，采集簇絨地毯織機(jī)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)更新到服務(wù)器地址空間對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與數(shù)據(jù)源的綁定。

3.2 數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一接口的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中針對(duì)簇絨地毯織機(jī)信息模型開(kāi)發(fā)的OPC UA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的可行性將車間內(nèi)所有的地毯織機(jī)設(shè)備連入OPC UA服務(wù)器。簇絨地毯織機(jī)控制控制系統(tǒng)使用的是倍?？刂破鰿X5120-0120，試驗(yàn)電控柜如圖7所示。

圖7 測(cè)試電控柜布局圖

利用基于C#類庫(kù)OPC UA Helper開(kāi)發(fā)的OPC UA客戶端訪問(wèn)OPC UA服務(wù)器，通過(guò)客戶端訪問(wèn)OPC UA服務(wù)器地址空間中簇絨地毯織機(jī)的過(guò)程屬性集數(shù)據(jù)，包括花型信息、上電時(shí)間、訂單信息、產(chǎn)量信息等屬性，讀取的屬性包含屬性名稱、數(shù)值、數(shù)據(jù)類型和讀寫(xiě)權(quán)限等屬性元素信息，并測(cè)試屬性集的讀寫(xiě)功能，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 OPC UA客戶端獲取地毯織機(jī)過(guò)程屬性信息

OPC UA Helper客戶端程序后臺(tái)開(kāi)啟獨(dú)立線程將從服務(wù)器獲取的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，為節(jié)省系統(tǒng)資源，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程監(jiān)聽(tīng)OPC UA服務(wù)器內(nèi)的變量，在變量數(shù)值發(fā)生改變時(shí)寫(xiě)入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。簇絨地毯織機(jī)車間設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存設(shè)備層簇絨地毯織機(jī)采集并上傳的過(guò)程數(shù)據(jù)，并為車間數(shù)據(jù)可視化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

存儲(chǔ)車間設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)信息的本地MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)以公網(wǎng)映射的方式，在DataV可視化界面配置本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)源，將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)展示到車間監(jiān)控大屏上，監(jiān)控大屏如圖9所示。

圖9 簇絨地毯織機(jī)車間大屏展示信息

根據(jù)OPC UA客戶端獲取的服務(wù)器地址空間中簇絨地毯織機(jī)設(shè)備的過(guò)程屬性集數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，基于簇絨地毯織機(jī)信息模型開(kāi)發(fā)的OPC UA服務(wù)器具有對(duì)外暴露數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口，通過(guò)OPC UA客戶端可以獲取到地毯織機(jī)信息模型的對(duì)象類型及其屬性值。驗(yàn)證基于OPC UA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一接口滿足功能要求，可用于簇絨地毯織機(jī)車間解決信息孤島問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備和各層系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)互通。

4 結(jié)語(yǔ)

基于OPC UA框架的數(shù)據(jù)采集和信息集成系統(tǒng)有利于提高車間的智能化、數(shù)字化水平，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在異構(gòu)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。本文從簇絨地毯織機(jī)車間實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，建立了簇絨地毯織機(jī)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，針對(duì)車間內(nèi)具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的方案，重點(diǎn)描述了聚合服務(wù)器的功能和實(shí)現(xiàn)方式?；贠PC UA技術(shù)實(shí)現(xiàn)簇絨地毯織機(jī)數(shù)據(jù)采集統(tǒng)一接口，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)的OPC UA服務(wù)器進(jìn)行功能測(cè)試和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了將設(shè)備層數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的形式在車間內(nèi)傳輸，將數(shù)據(jù)上傳至云端，供遠(yuǎn)程訪問(wèn)與監(jiān)控。

本文基于OPC UA的簇絨地毯織機(jī)設(shè)備互聯(lián)互通的研究與實(shí)現(xiàn)可以為其他紡織車間進(jìn)行信息集成和互聯(lián)互通提供借鑒，解決異構(gòu)紡織設(shè)備與軟件系統(tǒng)間數(shù)據(jù)信息無(wú)法直接共享的問(wèn)題，對(duì)紡織行業(yè)智能制造和數(shù)字化車間的實(shí)現(xiàn)具有一定參考意義。