OPC技術(shù)在粗紗工序信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用

任瑞武，江 豪，常豪鋒，黃玉彥，王永華

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002）

傳統(tǒng)的紡織生產(chǎn)過程主要包括清花、梳棉、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒等生產(chǎn)工序和流程。為了提高工廠生產(chǎn)管理效率，實現(xiàn)生產(chǎn)信息共享，提高整個企業(yè)的信息化水平，目前很多紡織企業(yè)都在進(jìn)行紡織工序的信息化工程建設(shè)或改造。由于紡織企業(yè)設(shè)備眾多，型號繁雜，現(xiàn)場電磁環(huán)境惡劣，實現(xiàn)紡織設(shè)備信息化就要求底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)要非常的成熟和穩(wěn)定，Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)就以其可靠、成熟、開放的特性被廣泛應(yīng)用到紡織生產(chǎn)過程信息化系統(tǒng)中[1]。

在信息化系統(tǒng)建設(shè)中，單機設(shè)備的控制器種類繁多，數(shù)據(jù)通信接口不同，通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，這給設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和信息集成帶來了很大的麻煩。某廠家的粗紗車控制系統(tǒng)開發(fā)了CAN總線協(xié)議的通信接口，給設(shè)備集成到Profibus網(wǎng)絡(luò)帶來了挑戰(zhàn)，當(dāng)然解決的辦法有多種，譬如添加CAN到Profibus的網(wǎng)關(guān)，或者采用CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)器將數(shù)據(jù)集中，再通過工業(yè)以太網(wǎng)及OPC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。本文以粗紗工序為例，介紹OPC技術(shù)在紡織生產(chǎn)過程信息化系統(tǒng)中的應(yīng)用：采用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，將底層的CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過“CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊”連接到監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 OPC技術(shù)簡介

OPC技術(shù)基于Windows平臺以及微軟的COM/DCOM組件對象模型技術(shù)，采用客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式，為工業(yè)應(yīng)用程序之間提供高效信息集成和交互功能的接口標(biāo)準(zhǔn)[2]。它適用于過程控制應(yīng)用，支持過程數(shù)據(jù)訪問、報警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問等功能。具有語言無關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點。

OPC服務(wù)器是按照OPC技術(shù)規(guī)范開發(fā)的軟件驅(qū)動，作為中間媒介負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)源讀取數(shù)據(jù)再與客戶端通信。OPC客戶端應(yīng)用程序通過定制接口或自動化接口實現(xiàn)與OPC服務(wù)器互連通信，讀取OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)完成對工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)控[3]。在本系統(tǒng)中，通過安裝在服務(wù)器上的OPC服務(wù)器軟件實現(xiàn)與底層粗紗設(shè)備控制器進(jìn)行通信，讀取設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，然后監(jiān)控系統(tǒng)通過OPC客戶端讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)粗紗工序的數(shù)據(jù)集成。

2 粗紗工序信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 方案選擇

某紡織企業(yè)信息化系統(tǒng)建設(shè)項目中，粗紗工序有20臺粗紗車，其控制器具有CAN總線協(xié)議的通信接口，有3種方案可以實現(xiàn)此工序的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

方案1每10臺設(shè)備添加一個“CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊”，通過以太網(wǎng)連接到監(jiān)控系統(tǒng)中，然后采用OPC技術(shù)讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。

方案2每2臺設(shè)備添加一個“CAN轉(zhuǎn)Profibus DP模塊”，連接到信息化系統(tǒng)采用的主干網(wǎng)絡(luò)Profibus DP上。

方案3設(shè)備先組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，然后在監(jiān)控系統(tǒng)中添加CAN總線采集卡實現(xiàn)與底層設(shè)備通信。具體方案的比較如表1所示。

表1 3種通信方案的對比Tab.1 Comparison of three types of communication schemes

根據(jù)表1比較分析3種方案的實時性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性。

（1）實時性：方案1在現(xiàn)有條件下即可采用10 Mb/s的通信速率，可以保證實時性；方案2和方案3為保證通信的可靠性和延長通信距離，均需要降低通信速率。

（2）經(jīng)濟(jì)性：方案1相比另外兩種成本最低。

（3）可靠性：方案1因采用成熟的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)可保證數(shù)據(jù)集成的可靠性。

（4）穩(wěn)定性：方案1采用了設(shè)備廠家提供的本機OPC服務(wù)器軟件，具有很好的兼容性和穩(wěn)定性。

因此通過對比分析，以經(jīng)濟(jì)、便利、可靠、穩(wěn)定為原則，最終確定采用方案1與粗紗控制器進(jìn)行通訊，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

一般而言，紡織企業(yè)的大部分紡紗設(shè)備采用Profibus協(xié)議模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到工業(yè)級交換機組成的光纖環(huán)網(wǎng)上。本文涉及到的粗紗車采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)互連，然后通過“CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊”連接到工業(yè)以太網(wǎng)上；OPC服務(wù)器和OPC客戶機也通過工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接到工業(yè)級交換機上。實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與底層粗紗設(shè)備的物理線路連接。具體的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

本架構(gòu)能夠滿足實際應(yīng)用需求，其主要特點：

（1）粗紗設(shè)備間互連采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級CAN總線電纜；以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選用工業(yè)級交換機、RJ45工業(yè)以太網(wǎng)接頭、工業(yè)級以太網(wǎng)電纜以及交換機組成的光纖環(huán)網(wǎng)，保證了物理線路的可靠性和抗干擾性。

（2）通信協(xié)議的選擇：底層設(shè)備采用單主多從的CAN總線數(shù)據(jù)交互方式[4]，更加高效和可靠；上層采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，保證了系統(tǒng)的實時性。

圖1 OPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 OPC data acquisition system architecture

（3）監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余的OPC服務(wù)器和客戶端結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.3 OPC冗余系統(tǒng)

2.3.1 OPC冗余的必要性

工業(yè)現(xiàn)場有很多因素可能導(dǎo)致OPC服務(wù)器和客戶機工作異常，出現(xiàn)數(shù)據(jù)連接失敗等故障情況，如運行OPC服務(wù)器的計算機異常關(guān)機、用戶操作失誤、網(wǎng)絡(luò)異常等眾多因素，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，為提高系統(tǒng)的可靠性，增強數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，需要采用冗余的OPC服務(wù)器和客戶機。

2.3.2 冗余系統(tǒng)實現(xiàn)機理

采用兩臺OPC服務(wù)器定時分別向兩臺OPC客戶機發(fā)送通信狀態(tài)字、運行狀態(tài)字和設(shè)備連接狀態(tài)字等狀態(tài)信息[5]，兩臺OPC客戶機上的應(yīng)用程序通過狀態(tài)字監(jiān)控服務(wù)器的運行狀態(tài)并根據(jù)其與服務(wù)器的通信狀態(tài)來控制OPC主服務(wù)器與冗余服務(wù)器之間的切換。

2.3.3 OPC冗余系統(tǒng)架構(gòu)

OPC冗余監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，OPC服務(wù)器A作為主服務(wù)器，B作為冗余服務(wù)器，兩臺服務(wù)器同時與底層控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，正常情況下只有主服務(wù)器A的數(shù)據(jù)有效。OPC客戶機A和B能夠同時用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的查詢和監(jiān)控，正常情況下均連接到OPC主服務(wù)器上。

圖2 OPC冗余監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 OPC redundancy monitoring system architecture

在該冗余系統(tǒng)中，兩臺OPC客戶機均安裝有MatrikonOPC公司的MatrikonOPC Redundancy Broker（ORB）軟件即 OPC 冗余保障，此軟件根據(jù)狀態(tài)標(biāo)志監(jiān)控OPC服務(wù)器的工作狀態(tài)，在OPC主服務(wù)器A出現(xiàn)故障時，能夠?qū)崿F(xiàn)將客戶機的數(shù)據(jù)交換應(yīng)用程序鏈接切換至冗余服務(wù)器B上，以便保證系統(tǒng)仍可對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)信息快速采集及處理。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)傳送技術(shù)

OPC服務(wù)器包含硬件設(shè)備驅(qū)動程序，是按照OPC標(biāo)準(zhǔn)編寫的OPC服務(wù)器應(yīng)用程序，能夠?qū)崿F(xiàn)與底層硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，向上與OPC客戶端應(yīng)用程序通信完成數(shù)據(jù)交換。由于OPC服務(wù)器提供了統(tǒng)一的通信接口，開發(fā)的OPC客戶端應(yīng)用程序不用再關(guān)心現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動程序，只需要符合OPC接口規(guī)范，即可讀取OPC服務(wù)器提供的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)中，采用的OPC服務(wù)器軟件為“RovingOPCServer_Setup_1.0.1.1”，20 臺粗紗車共用一個OPC服務(wù)器。OPC服務(wù)器軟件中配置2個主站，每個主站下有10個設(shè)備，每個設(shè)備配置的讀取信息包含有粗紗設(shè)備的“錠翼轉(zhuǎn)速”、“前羅拉速度”、“產(chǎn)量”等設(shè)備運行參數(shù)以及I/O信息。

3.2 OPC服務(wù)器與客戶機遠(yuǎn)程通信技術(shù)

OPC服務(wù)器與OPC客戶機應(yīng)用程序分別位于不同的計算機上時，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交換，首先需要對OPC服務(wù)器的DCOM進(jìn)行配置，賦予客戶機訪問權(quán)限。

首先設(shè)置防火墻，并建立OPC服務(wù)器與客戶機相互識別的用戶賬號[6]。然后配置OPC服務(wù)器的DCOM，相應(yīng)的服務(wù)組件包含于OPC服務(wù)器軟件中。

3.3 WinCC組態(tài)軟件建立OPC客戶端

WinCC組態(tài)軟件是西門子公司推出的用于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控的監(jiān)控組態(tài)軟件，主要是利用各種協(xié)議與現(xiàn)場控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)在監(jiān)控畫面中顯示，供操作人員查詢和操作。具有變量組態(tài)、畫面組態(tài)、報表設(shè)計、變量記錄、報警歸檔等功能，并且支持OPC服務(wù)器和客戶端功能。

WinCC組態(tài)軟件安裝到兩臺客戶機上，配置OPC客戶端應(yīng)用程序，在變量管理器中添加OPC驅(qū)動程序“OPC.chn”。然后在此驅(qū)動程序的“系統(tǒng)參數(shù)”的OPC條目管理器中瀏覽相應(yīng)服務(wù)器，可一次將所需變量的條目全部添加完成，減少了手動建立變量時條目名稱不能確定和變量數(shù)目多的麻煩，并且其他相應(yīng)設(shè)置可自動完成。配置完成即可讀取OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行參數(shù)畫面顯示，提供操作人員查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息接口畫面。

4 實際工程應(yīng)用情況

本系統(tǒng)實現(xiàn)了粗紗紡織設(shè)備生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集與集成。采用WinCC組態(tài)軟件制作的監(jiān)控畫面用于顯示OPC服務(wù)器傳送上來的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)；并且通過后臺腳本語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后存入數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對粗紗設(shè)備生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警信息的回顧、訂單跟蹤等功能。

粗紗單臺設(shè)備監(jiān)控畫面如圖3所示，畫面中主要包括設(shè)備的運行信息、設(shè)定參數(shù)和I/O信息等。

圖3 單臺粗紗設(shè)備監(jiān)控畫面Fig.3 Single roving device monitor screen

系統(tǒng)的主要特點和優(yōu)點：

（1）實時監(jiān)控粗紗設(shè)備的運行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等信息，實現(xiàn)訂單跟蹤、產(chǎn)量評估等，為企業(yè)的管理人員進(jìn)行決策管理提供有力參考。

（2）系統(tǒng)可保存大量的歷史生產(chǎn)產(chǎn)量信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可實現(xiàn)員工、機臺、輪班的班產(chǎn)量、月產(chǎn)量、年產(chǎn)量的查詢，為員工工資計算提供幫助，并且減少了人工抄表、錄入、計算的工作量和錯誤的出現(xiàn)。

（3）系統(tǒng)可為工藝管理人員提供每一臺粗紗車的生產(chǎn)工藝參數(shù)，實時監(jiān)控工藝數(shù)據(jù)，分析對比，防止和及時發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定錯誤和機臺運行異常，提高產(chǎn)品質(zhì)量水平。

（4）生產(chǎn)調(diào)度人員通過系統(tǒng)監(jiān)控每個訂單的生產(chǎn)情況，實現(xiàn)合理安排訂單與分配原料。

（5）通過對機臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比和分析，實現(xiàn)對每臺粗紗車的設(shè)備故障統(tǒng)計和效率評價。設(shè)備維護(hù)、電氣維修、生產(chǎn)管理等人員可以采取針對性的維護(hù)和管理措施。

（6）系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠、實時性較高、易于維護(hù)、性價比高等優(yōu)點。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了將OPC技術(shù)融入到工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線中，完成了粗紗工序生產(chǎn)過程的信息化。實現(xiàn)對粗紗單機設(shè)備運行狀況的監(jiān)控以及設(shè)備故障的在線診斷和報警等操作；并且可以實現(xiàn)對粗紗生產(chǎn)工序進(jìn)行監(jiān)控和管理，提高生產(chǎn)效率和合理分配資源。通過對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，大大增強了OPC數(shù)據(jù)交互的可靠性和穩(wěn)定性，并且將數(shù)據(jù)更新時間間隔減少至3.2 s，實時性能夠滿足用戶需求，并采用了冗余架構(gòu)，確?，F(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。OPC作為現(xiàn)場控制器設(shè)備與監(jiān)控系統(tǒng)通信的橋梁，解決了工業(yè)控制系統(tǒng)中驅(qū)動異構(gòu)的問題，彌補了現(xiàn)場總線技術(shù)的不足。OPC技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用也為其他工程案例提供了有價值的參考。

[1] 王永華，A.Verwer.現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用教程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2] Wolfgang Mahnke，Stefan-Helmut Leitner，Matthias Damm.OPC Unified Architecture[M].Germany：Springer-Verlag，2009.

[3] 日本OPC基金會.OPC應(yīng)用入門[M].OPC（中國）促進(jìn)委員會，譯.北京：OPC中國基金會，2002.

[4] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5] 孟逢逢.冗余OPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用研究，2009，29（1）：256-257.

[6] 任巍曦.OPC通信技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].北京：華北電力大學(xué)，2011. ■