基于OPC UA技術(shù)的質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

□ 金 希□ 張為民，2□ 費麗娜，4□Jürgen Fleischer□ 羅 亮

1.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海201804

2.同濟大學(xué)中德學(xué)院 上海201804

3.同濟大學(xué)中德先進(jìn)制造技術(shù)中心 上海201804

4.卡爾蔡司（上海）管理有限公司 上海200131

5.卡爾斯魯厄理工學(xué)院生產(chǎn)技術(shù)研究所 德國卡爾斯魯厄76131

1 研究背景

2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會上，德國政府提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略［1］。德國聯(lián)邦教育研究部發(fā)布的《工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃實施建議》定義了工業(yè)4.0的本質(zhì)特征是智能化，即以充分互聯(lián)的智能工廠為核心，構(gòu)建信息系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)高度融合的信息物理系統(tǒng)，建立起一整套定制化的產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)及服務(wù)模式，實現(xiàn)由制造向“智造”的轉(zhuǎn)型升級［2］。在這種情況下，工業(yè)4.0給中國制造業(yè)提出了全新的要求，主要難點在于信息系統(tǒng)落后，未能借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)充分互聯(lián)、信息快速交互共享。制造系統(tǒng)只有解決了信息系統(tǒng)落后的問題，同時增進(jìn)制造設(shè)備間的信息數(shù)據(jù)交互，才能實現(xiàn)更高程度的智能制造和不同生產(chǎn)單元及環(huán)節(jié)間的高效協(xié)同工作。

為改善信息系統(tǒng)落后的現(xiàn)狀，避免各系統(tǒng)間相互獨立和信息數(shù)據(jù)缺乏共享，實現(xiàn)信息與物理系統(tǒng)的深度融合。首先必須有效解決對生產(chǎn)制造系統(tǒng)中必要信息數(shù)據(jù)的獲取與集成，尤其是決定產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)。筆者針對某工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線，以以太網(wǎng)為數(shù)據(jù)傳輸通道，應(yīng)用OPC UA（O/E for Process Control）技術(shù)規(guī)范設(shè)計并開發(fā)了OPC UA服務(wù)器作為質(zhì)量數(shù)據(jù)采集終端，同時開發(fā)了OPC UA客戶端并集成于ActiveCockpit智能動態(tài)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，最終實現(xiàn)基于OPC UA的可視化質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2 應(yīng)用場景

目前國內(nèi)制造企業(yè)各個生產(chǎn)單元之間相互獨立、數(shù)據(jù)交互困難，信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)嚴(yán)重分離，導(dǎo)致了一系列信息孤島問題。不僅車間管理層無法及時有效地實施管理監(jiān)控，而且嚴(yán)重制約了各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)工作能力，整個生產(chǎn)系統(tǒng)效率低下。主要原因在于：工廠內(nèi)的多個信息系統(tǒng)由于系統(tǒng)架構(gòu)存在差異，沒有實現(xiàn)信息的共享集成，各自獨立工作，缺乏協(xié)調(diào)性；由于信息采集手段的落后，導(dǎo)致無法實時準(zhǔn)確地采集制造過程的相關(guān)信息，無法為企業(yè)管理層及其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

為解決上述問題，搭建了如圖1所示的工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線的系統(tǒng)流程。企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量管理大部分是基于質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的，在對圖1中質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)的集成過程中，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)的集成仍存在諸多問題，僅利用現(xiàn)有的質(zhì)量管理手段無法適應(yīng)對產(chǎn)品質(zhì)量管理效率的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

▲圖1 工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線系統(tǒng)流程圖

（1）質(zhì)量數(shù)據(jù)流通不暢。對質(zhì)量信息的處理過程孤立于其它過程，不僅數(shù)據(jù)采集點分散，而且數(shù)據(jù)采集軟件來自不同廠家，無統(tǒng)一軟件接口，導(dǎo)致質(zhì)量檢測部門無法及時向生產(chǎn)計劃和加工部門傳遞質(zhì)量信息，生產(chǎn)管理部門也無法實時獲取產(chǎn)品質(zhì)量的最新數(shù)據(jù)。對于問題產(chǎn)品或問題工藝，無法及時做出調(diào)整，不利于提高生產(chǎn)率。

（2）缺乏高效的系統(tǒng)。無法對進(jìn)入生產(chǎn)車間的物料質(zhì)量及后續(xù)加工狀況進(jìn)行持續(xù)追蹤，導(dǎo)致無法向決策層提供產(chǎn)品相關(guān)的質(zhì)量決策依據(jù)［3］。

因此，統(tǒng)一質(zhì)量數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程中其它數(shù)據(jù)的采集軟件接口，并最終實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的集成與監(jiān)測就顯得至關(guān)重要。

3 基于OPC UA的質(zhì)量信息集成

3.1 OPC UA簡介

現(xiàn)有分布式系統(tǒng)大多采用服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)，但由于設(shè)備沒有通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備廠商分別使用自主開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用程序，系統(tǒng)開放性存在很大局限性。在控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)交互亟需優(yōu)化的條件下，OPC技術(shù)的產(chǎn)生解決了一部分問題［4］。但原有OPC技術(shù)規(guī)范在技術(shù)上存在局限性，基于微軟的COM（組件對象模型）/DCOM（分布式組件對象模型）只能在微軟環(huán)境下應(yīng)用，平臺依賴性大且DCOM不能用于互聯(lián)網(wǎng)通信。為解決上述問題，OPC基金會發(fā)布了新一代統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)OPC UA［5］。

OPC UA技術(shù)使用消息傳遞機制，解決了傳統(tǒng)OPC在跨平臺方面的限制，可以在Linux、Unix和Mac等其它平臺使用，具有平臺無關(guān)性?；赥CP/IP和SOAP/HTTP兩種與平臺獨立的傳輸協(xié)議進(jìn)行消息傳遞，傳輸協(xié)議不僅與平臺獨立，而且能夠跨越防火墻?？蛻舳税l(fā)送服務(wù)請求，服務(wù)器響應(yīng)請求并返回客戶端的請求結(jié)果?？蛻舳藷o需了解復(fù)雜系統(tǒng)的整個模型，只要訪問最小的一塊數(shù)據(jù)即可。OPC UA集成了傳統(tǒng)OPC DA（Data Access）、A&E（Alarm&Event）和HDA（Historical Data Access）的功能和信息，使用通用接口對外提供信息，可擴展性強，適用范圍從嵌入式系統(tǒng)至企業(yè)資源管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的工廠級數(shù)據(jù)采集與管理。此外，OPC UA還提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，系統(tǒng)可以統(tǒng)一訪問一個集成的地址空間［6］。

3.2 OPC UA服務(wù)器

OPC UA服務(wù)器提供給客戶端的信息數(shù)據(jù)與服務(wù)器的地址空間息息相關(guān)，地址空間是一組通過引用形式關(guān)聯(lián)的節(jié)點。利用OPC UA提出的具有一致性的地址空間和服務(wù)模型，用單個服務(wù)器即可將數(shù)據(jù)、報警與事件和歷史信息統(tǒng)一至地址空間，并以統(tǒng)一服務(wù)形式向外提供接口。

OPC UA服務(wù)器的所有功能必須基于地址空間實現(xiàn)，因此構(gòu)建地址空間是定義和開發(fā)服務(wù)器的關(guān)鍵。節(jié)點是地址空間的基本單位，由節(jié)點屬性和節(jié)點引用組成。屬性用于描述節(jié)點的數(shù)據(jù)元素，是節(jié)點類定義的一部分，可通過讀寫、查詢和訂閱監(jiān)視等方式存取屬性值；而引用是作為引用類型節(jié)點類定義，每個節(jié)點只能用一次相同引用類型引用其它節(jié)點［7］。

▲圖2 OPC UA服務(wù)器地址空間的獲取和監(jiān)測數(shù)據(jù)

在構(gòu)建OPC UA服務(wù)器的地址空間前，必須明確質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)需要獲取和監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可分為特征質(zhì)量數(shù)據(jù)、檢測可靠性數(shù)據(jù)和工件信息數(shù)據(jù)三大類，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。為了監(jiān)控示范生產(chǎn)線上工件的加工質(zhì)量情況，首先必須監(jiān)控能夠反映工件加工特征合格與否的測量數(shù)據(jù)。因此，需要為三坐標(biāo)測量機開發(fā)能夠采集工件特征質(zhì)量數(shù)據(jù)的OPC UA服務(wù)器，特征質(zhì)量數(shù)據(jù)包括被測工件的各個特征名、特征理論上下限、實際偏差值、特征名義值和實際測量值。其次，影響測量結(jié)果的因素主要有設(shè)備本身的誤差、測量環(huán)境與測量人員及方法。由于三坐標(biāo)測量機及其探針通常情況下都會對其進(jìn)行定期校準(zhǔn)，因此設(shè)備本身誤差可以忽略不計。環(huán)境因素中影響較大的為外界溫度和濕度，與溫度、濕度相關(guān)的數(shù)據(jù)由設(shè)備自帶的溫度和濕度傳感器自動采集，并實時將此數(shù)據(jù)上傳至測量程序中；同時，測量人員在測量程序中輸入自己的工號信息。測量方法是影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素，指測量人員對每個特征選取的測量策略和測量評定方法［8］。因此，要確保檢測程序針對每個特征選擇的測量方案的可靠性，需要采集測量人員信息、檢測時間、測量溫濕度、測量策略和測量評定方法。最后，監(jiān)控管理要實現(xiàn)對被測不合格工件的追蹤與反饋，實時監(jiān)控被測工件的基本信息數(shù)據(jù)。這些基本信息數(shù)據(jù)包括工件號、工件名稱、產(chǎn)品訂單號、工件測量結(jié)果和各加工工位設(shè)備號及工位上下線時間，它們均存儲在工件所在托盤上安裝的RFID（射頻識別）芯片內(nèi)，由三坐標(biāo)測量機上的RFID讀寫頭在測量前讀取獲得。

3.3 OPC UA客戶端的定義與機制

OPC UA客戶端的主要功能是連接OPC UA服務(wù)器，查找與讀取地址空間中變量存放的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲至本地數(shù)據(jù)庫中，同時訂閱作為監(jiān)控項的相關(guān)變量。讀取數(shù)據(jù)時，OPC UA客戶端在服務(wù)器地址空間中瀏覽，通過NodeId找到變量號并發(fā)送讀取數(shù)據(jù)請求；服務(wù)器收到讀取請求后，執(zhí)行讀取回調(diào)的函數(shù)，將緩存數(shù)據(jù)加載到地址空間的變量中，從而獲得地址空間中的設(shè)備數(shù)據(jù)［9］。

OPC UA客戶端和OPC UA服務(wù)器的架構(gòu)如圖3所示，包括OPC UA通信棧、OPC UA服務(wù)器/客戶端接口和OPC UA服務(wù)器/客戶端應(yīng)用程序。由圖3可知，其交互方式有兩種：第一種是OPC UA客戶端通過客戶端接口發(fā)送服務(wù)請求，通信棧將其轉(zhuǎn)化為請求消息后，通過底層通信實體發(fā)送至服務(wù)器通信棧，服務(wù)器接口調(diào)用對應(yīng)的響應(yīng)服務(wù)，至地址空間的指定節(jié)點，完成響應(yīng)任務(wù)后返回一個響應(yīng)消息；第二種是客戶端通過客戶端接口發(fā)送發(fā)布請求，通信棧將其轉(zhuǎn)化為發(fā)布消息后，通過底層通信實體發(fā)送至服務(wù)器通信棧，服務(wù)器接口發(fā)送至訂閱，一旦指定監(jiān)測的節(jié)點項目產(chǎn)生變化，即由訂閱發(fā)送至客戶端［10］。

3.4 OPC UA服務(wù)器與客戶端的開發(fā)

▲圖3 OPC UA服務(wù)器與客戶端架構(gòu)

在Visual Studio 2017編譯環(huán)境下，利用Open62541提供的Open62541 v0.3開源庫，使用C++語言編寫實現(xiàn)OPC UA服務(wù)器［11-12］。將開源庫在CMake工具中編譯生成庫文件，并在解決方案中配置好編程環(huán)境的項目屬性，向源文件中添加.h頭文件，以完成開發(fā)服務(wù)器的準(zhǔn)備工作。

構(gòu)建地址空間時，首先，要定義地址空間節(jié)點管理類，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對地址空間所有節(jié)點的有效管理。其次，將設(shè)備在服務(wù)器對象文件夾下建立設(shè)備實例，其類型繼承基本對象類型，并創(chuàng)建各個實例對象的數(shù)據(jù)類別。最后，將監(jiān)控變量依次添加到對應(yīng)數(shù)據(jù)類別下的節(jié)點，定義其通用屬性（見表1），并添加必要的節(jié)點引用。在UaExpert軟件中，可查看所開發(fā)OPC UA服務(wù)器的部分地址空間，如圖4所示。

表1 節(jié)點的通用屬性

▲圖4 測量設(shè)備的OPC UA服務(wù)器地址空間

OPC UA客戶端在Node.js運行環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)［13］，其工作流程如圖5所示。由于編程過程需要調(diào)用特定模塊，因此開發(fā)前使用npm命令安裝node-opcua等相關(guān)必要模塊。為了方便客戶端調(diào)用，編寫新建客戶端函數(shù)，讀寫函數(shù)及訂閱監(jiān)控變量函數(shù)，并設(shè)置監(jiān)控參數(shù)。在程序中載入安裝的模塊，調(diào)用新建客戶端的函數(shù)，并將其所連接的服務(wù)器IP地址設(shè)置成對應(yīng)設(shè)備的IP地址。調(diào)用訂閱監(jiān)控變量函數(shù)，監(jiān)控相關(guān)變量，為工件測量結(jié)果變量設(shè)置訂閱，一旦為不合格，則產(chǎn)生報警事件，并將超差特征的測量數(shù)據(jù)反饋至對應(yīng)設(shè)備號處，由設(shè)備人員及時做出調(diào)整。

OPC UA服務(wù)器和客戶端分別運行于三坐標(biāo)測量機設(shè)備的計算機（PC端）與信息可視化集成系統(tǒng)端，或其它需要實時獲取質(zhì)量數(shù)據(jù)的相關(guān)部門PC端。針對測量設(shè)備開發(fā)出的OPC UA服務(wù)器及相應(yīng)客戶端，能夠解決質(zhì)量數(shù)據(jù)流通不暢的問題，實時集成質(zhì)量數(shù)據(jù)與其它過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)管理層對質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，使管理層能夠及時做出調(diào)整，從而大大提高生產(chǎn)效率；同時，集成的工件信息數(shù)據(jù)能夠及時追蹤問題產(chǎn)品，有效幫助管理層進(jìn)行決策。

4 應(yīng)用案例

工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線的DuraMax三坐標(biāo)測量機不提供OPC UA接口，只能使用生產(chǎn)商自帶的數(shù)據(jù)采集與管理軟件，工廠能獲得的報告形式如圖6所示，管理層與生產(chǎn)部門無法及時獲取質(zhì)量信息，與檢測部門數(shù)據(jù)交互困難。

▲圖5 OPC UA客戶端工作流程圖

▲圖6 三坐標(biāo)測量機原測量數(shù)據(jù)報告

將基于OPC UA的質(zhì)量信息集成技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線，開發(fā)出Duramax三坐標(biāo)測量機的OPC UA服務(wù)器與集成在ActiveCockpit智能動態(tài)可視化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的OPC UA客戶端。運行OPC UA服務(wù)器和客戶端，智能動態(tài)可視化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的液壓閥閥體質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖7所示，實現(xiàn)了對測量設(shè)備上被測加工工件的質(zhì)量數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。由于整個工業(yè)4.0液壓閥示范生產(chǎn)線都采用了OPC UA接口，因此，液壓閥閥體的質(zhì)量信息同時還能與制造示范線上的其它各類信息數(shù)據(jù)集成，構(gòu)建了符合工業(yè)4.0理念的信息物理系統(tǒng)，管理層可以方便及時地實現(xiàn)對整個工業(yè)現(xiàn)場的管理與監(jiān)控。

▲圖7 ActiveCockpit液壓閥閥體質(zhì)量數(shù)據(jù)集成監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

通過深入研究OPC UA技術(shù)規(guī)范，基于OPC UA技術(shù)，使用C++編程語言和Node.js運行環(huán)境為測量設(shè)備開發(fā)了OPC UA服務(wù)器和OPC UA客戶端，不僅統(tǒng)一了測量設(shè)備與其它生產(chǎn)設(shè)備、監(jiān)控管理設(shè)備的數(shù)據(jù)交互接口，而且實時、有效地集成了質(zhì)量數(shù)據(jù)與過程數(shù)據(jù)?；贠PC UA技術(shù)的質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，使管理層能夠?qū)崟r監(jiān)測產(chǎn)品加工質(zhì)量，并依據(jù)實際質(zhì)量數(shù)據(jù)，管理和調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，有效提高了生產(chǎn)效率。