基于OPC UA的紡織智能染整車間信息模型研究與實(shí)現(xiàn)

李 鋒， 張 坤， 原麗娜

(東華大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xù)發(fā)展正成為紡織染整行業(yè)發(fā)展的主旋律[1]，但目前國內(nèi)的紡織染整系統(tǒng)中，染整設(shè)備間缺乏互聯(lián)互通，設(shè)備層之間信息無法共享[2]，亟待實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，建立智能染整車間，推進(jìn)智能染整的發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互通的關(guān)鍵是對(duì)各物理設(shè)備進(jìn)行抽象，形成設(shè)備的信息模型，使得一種類型的設(shè)備對(duì)外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口，并在此基礎(chǔ)上建立通信規(guī)范，而OPC UA由于其特有的優(yōu)點(diǎn)，正成為公認(rèn)設(shè)備建模和制定通信規(guī)范的潛在解決方案[3]。

OPC UA是一套安全、可靠且獨(dú)立于制造商的平臺(tái)，用于工業(yè)通信的數(shù)據(jù)交互規(guī)范[4]。該規(guī)范使得不同操作系統(tǒng)、不同制造商的設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由于其開放性與完整性而被廣泛認(rèn)可。GB/T 33863.1—2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》正式發(fā)布，并于2018年2月1日正式實(shí)施[5]。目前主流的自動(dòng)化廠商，通信公司，協(xié)會(huì)組織，全球主要的現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII等，均支持與OPC UA的融合與開發(fā)工作。

對(duì)于解決數(shù)字化車間信息建模及統(tǒng)一的通信接口問題，國內(nèi)外工業(yè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域正在進(jìn)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(shù)字化車間建模需求，但CIM-OSA仍處于試驗(yàn)階段，過于強(qiáng)調(diào)形式化且較難掌握。UML在軟件系統(tǒng)開發(fā)方面應(yīng)用較為廣泛，但缺乏對(duì)于動(dòng)態(tài)效果的支持。而OPC UA目前正處于快速發(fā)展期，既能解決建模問題又可以解決數(shù)據(jù)傳輸統(tǒng)一通信協(xié)議的問題，可以很好地滿足面向智能制造的數(shù)字化車間信息模型的需求。

波蘭自動(dòng)化裝備公司CAS開發(fā)了可視化OPC UA信息模型顯示工具；德國UA公司開發(fā)了OPC UA自動(dòng)化建模工具UaModeler。Pauker等[7]在文獻(xiàn)中介紹了描述制造系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)行為的OPC UA信息模型的建立方法。張兆坤等[8]對(duì)數(shù)字化車間信息模型的建模方法進(jìn)行了探討，但是在具體模型與染整設(shè)備關(guān)系對(duì)應(yīng)上還缺乏實(shí)踐性的探索。蘇延召等[9]提出了以O(shè)PC UA為標(biāo)準(zhǔn)接口構(gòu)建系統(tǒng)的抽象框架。Salvatore等[10]則將OPC UA協(xié)議應(yīng)用于客戶端和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)建模。 Andreas等[11]實(shí)現(xiàn)了將OPC UA信息模型應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。國內(nèi)近些年也有不少將OPC UA應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域的方案。

綜上所述，國內(nèi)外雖然有一些關(guān)于OPC UA信息模型的研究與應(yīng)用，但在紡織染整領(lǐng)域還存在空白，本文則將OPC UA應(yīng)用于紡織染整領(lǐng)域，對(duì)常用的幾種染整設(shè)備建立了其信息模型，從而為設(shè)備間、設(shè)備與系統(tǒng)間互聯(lián)互通奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和染整智能車間的建立。

1 紡織智能染整車間系統(tǒng)介紹

現(xiàn)代紡織品染整是借助機(jī)械設(shè)備，通過化學(xué)或物理的方法對(duì)坯布進(jìn)行處理的過程。機(jī)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(chǎn)方式分為連續(xù)式生產(chǎn)和間歇式生產(chǎn)，2種生產(chǎn)方式分別對(duì)應(yīng)平幅連續(xù)生產(chǎn)線裝備和平幅間歇式生產(chǎn)裝備。

本文主要研究對(duì)象是平幅連續(xù)生產(chǎn)線裝備。紡織智能染整車間系統(tǒng)主要是由制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)和染整設(shè)備組成，染整設(shè)備主要包括：退煮漂機(jī)、絲光機(jī)、染色機(jī)、印花機(jī)和定形機(jī)。每種機(jī)器又由一些相關(guān)的監(jiān)控單元組成，如退煮漂機(jī)則包括車速監(jiān)控單元、水洗槽監(jiān)控單元、汽蒸箱監(jiān)控單元等。智能染整車間系統(tǒng)圖如圖1所示。

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

本文通過構(gòu)建染整車間設(shè)備信息模型，對(duì)染整設(shè)備進(jìn)行抽象，建立其數(shù)字模型，形成染整設(shè)備對(duì)外傳輸數(shù)據(jù)的OPC UA統(tǒng)一接口[12]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)染整設(shè)備信息的互聯(lián)互通。

2 紡織智能染整車間系統(tǒng)建模

2.1 紡織智能染整車間模型抽象

OPC UA強(qiáng)大的信息建模能力體現(xiàn)在能夠展示豐富有效的數(shù)據(jù)語義，OPC UA建模是基于元模型[13]，元模型是各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互引用的信息模型基礎(chǔ)[14]。OPC UA框架中總共有8種節(jié)點(diǎn)，如本文主要用到對(duì)象節(jié)點(diǎn)、變量節(jié)點(diǎn)、方法節(jié)點(diǎn)等。用戶可以根據(jù)元模型來拓展自己需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)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(lǐng)域特定類型和約束，明確定義相應(yīng)元模型、屬性及方法，從而形成設(shè)備對(duì)外的統(tǒng)一服務(wù)接口。

根據(jù)上文提出的紡織染整車間系統(tǒng)圖，可以得出染整車間系統(tǒng)的主要機(jī)器設(shè)備類型及其附屬單元的關(guān)系。每個(gè)紡織染整設(shè)備物理模型含有若干部件、物理屬性及各類操作，每個(gè)部件又包含其他的子部件和物理屬性、信息模型與之對(duì)應(yīng)，對(duì)紡織染整設(shè)備進(jìn)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(jī)器物理模型關(guān)系如圖2所示。

圖2 設(shè)備物理模型與設(shè)備信息模型對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Correspondence between information model and textile equipment

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

圖3 染整智能設(shè)備信息模型結(jié)構(gòu)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(jù)信息建模的規(guī)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(shè)備類型”這一元模型，作為5種機(jī)型的公共屬性的集合，繼承于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)中的BaseObjectType[16](見圖4)。退煮漂機(jī)類型、絲光機(jī)類型、染色機(jī)類型、印花機(jī)和定形機(jī)5種機(jī)器類型都是通過繼承“染整設(shè)備類型”，進(jìn)而共享染整設(shè)備公有的屬性。

對(duì)于各個(gè)設(shè)備中所涉及到的基本監(jiān)控單元，同樣抽象出一個(gè)公共的“監(jiān)控單元類型”(見圖5)，用于定義監(jiān)控單元的通用屬性：?jiǎn)卧Q和編號(hào)等。監(jiān)控單元類型同樣繼承于BaseObjectType，而溫度監(jiān)控單元、氣壓監(jiān)控單元、壓力監(jiān)控單元等21個(gè)監(jiān)控單元均繼承于“監(jiān)控單元類型”。

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

圖5 監(jiān)控單元類型模型Fig.5 Monitoring unit type model

根據(jù)上文提取的染整設(shè)備模型及監(jiān)控單元模型，本文對(duì)平幅連續(xù)生產(chǎn)車間構(gòu)造出其染整信息化模型(見圖6)，其中5種設(shè)備類型都繼承了染整設(shè)備公有屬性，每種機(jī)型內(nèi)包含的監(jiān)控單元均繼承了監(jiān)控單元公有屬性，這些對(duì)象在信息模型中以內(nèi)存空間地址的方式展現(xiàn)出來，以此達(dá)到信息統(tǒng)一的表示。同時(shí)每種設(shè)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(shí)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(yīng)用

3.1 紡織智能染整車間系統(tǒng)模型實(shí)例化

系統(tǒng)模型實(shí)例化即針對(duì)某一具體設(shè)備，將抽象的信息模型實(shí)例化為實(shí)際的數(shù)據(jù)接口，圖7示出絲光機(jī)信息化模型的實(shí)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(jié)點(diǎn)及對(duì)象單元節(jié)點(diǎn)。 圖8示出溫度監(jiān)控單元的實(shí)例化信息結(jié)構(gòu)描述，包括公有屬性和私有屬性，其他監(jiān)控單元也與此相似。

圖7 絲光機(jī)實(shí)例化模型Fig.7 Mercerized machine instantiation model

圖8 溫度監(jiān)控單元實(shí)例化信息Fig.8 Temperature monitoring unit instantiation information

在上文中實(shí)例化模型之后，本系統(tǒng)建模采用德國Unified Automation 公司提供的UaModeler工具對(duì)上述染整設(shè)備和單元模型完成建模，UaModeler能夠根據(jù)創(chuàng)建的信息模型自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的XML文件，并且包含了所有OPC UA內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)類型節(jié)點(diǎn)，同時(shí)允許用戶拓展特定領(lǐng)域自定義的類型。圖9示出用UaModeler建立的絲光機(jī)的模型圖。

圖9 絲光機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)和文檔進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，使得模型可更好地跨系統(tǒng)、跨語言使用。

3.2 OPC UA模型在染整車間應(yīng)用案例

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

圖10 染整車間系統(tǒng)架構(gòu)Fig.10 Dyeing and finishing workshop system architecture

生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)在框架的頂端，在智能車間中負(fù)責(zé)對(duì)下層設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供計(jì)算服務(wù)。MES的主要功能包括：設(shè)備數(shù)據(jù)收集和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)顯示，并向設(shè)備發(fā)送控制命令，控制各設(shè)備工作，承擔(dān)設(shè)備狀態(tài)管理，生產(chǎn)管理及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集和分析等網(wǎng)絡(luò)管理核心功能。監(jiān)控管理設(shè)備，提供GUI管理界面，用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置、管理、運(yùn)行操作。

在本方案中MES系統(tǒng)被視為OPC UA的客戶端，結(jié)構(gòu)包括OPC UA客戶端應(yīng)用程序、OPC UA通信棧、OPC UA客戶端API。

客戶端應(yīng)用程序使用API調(diào)用設(shè)備提供的符合OPC UA協(xié)議服務(wù)，通信棧將客戶端的API調(diào)用轉(zhuǎn)換成消息，并通過底層發(fā)送給設(shè)備服務(wù)層。MES與設(shè)備的交互有2種方式：一種是客戶端的服務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)請(qǐng)求經(jīng)底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，通過OPC UA服務(wù)器接口調(diào)用請(qǐng)求或響應(yīng)服務(wù)，請(qǐng)求的任務(wù)將在服務(wù)器的地址空間中執(zhí)行，執(zhí)行完成后返回一個(gè)響應(yīng)消息。另外一種為發(fā)送發(fā)布請(qǐng)求，請(qǐng)求服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)或通知消息，發(fā)布請(qǐng)求經(jīng)過底層通信實(shí)體發(fā)送給OPC UA通信棧，通過OPC UA服務(wù)器接口發(fā)送給預(yù)定端，當(dāng)預(yù)定指定的監(jiān)測(cè)項(xiàng)探測(cè)到數(shù)據(jù)變化或者事件、報(bào)警發(fā)生時(shí)監(jiān)視項(xiàng)生成一個(gè)通知發(fā)送給預(yù)定并由預(yù)定發(fā)送給客戶。

設(shè)備端代表智能染整設(shè)備，由網(wǎng)關(guān)、設(shè)備控制器和設(shè)備3部分組成。在本方案中，設(shè)備指5類典型染整設(shè)備：絲光機(jī)、退煮漂機(jī)、印花機(jī)、染色機(jī)和定形機(jī)。

由于許多傳統(tǒng)染整設(shè)備沒有符合OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的接口，即非OPC UA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，為此設(shè)計(jì)了OPC UA網(wǎng)關(guān)，用于對(duì)外提供OPC UA服務(wù)。

網(wǎng)關(guān)用于設(shè)備節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)之間互聯(lián)所需要的協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置，通常具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能、安全功能、數(shù)據(jù)定義、網(wǎng)關(guān)管理維護(hù)功能。在該方案中，設(shè)備控制器代表設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如可編程邏輯控制器(PLC)等設(shè)備自身的控制板。

從消息服務(wù)機(jī)制上講，這里每個(gè)網(wǎng)關(guān)都是OPC UA服務(wù)器，采用OPC UA服務(wù)器機(jī)制向MES等車間系統(tǒng)提供各設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警和事件信息，并接受MES等系統(tǒng)控制命令，完成設(shè)備的相應(yīng)功能。

在一些現(xiàn)有設(shè)備中有時(shí)會(huì)具備1個(gè)以上的獨(dú)立設(shè)備控制器，如在一些退煮漂機(jī)中，溫度和壓力等是獨(dú)立的控制器，針對(duì)運(yùn)布的動(dòng)力機(jī)構(gòu)則是采用獨(dú)立的PLC控制機(jī)構(gòu)。因此在圖10中，需要考慮對(duì)一個(gè)設(shè)備多個(gè)控制器的綜合，然后通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，對(duì)外提供OPC UA標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。

OPC UA通過通信棧來傳輸消息，通信棧中的傳輸協(xié)議采用TCP/IP方式，傳輸協(xié)議與平臺(tái)是獨(dú)立的，并且能跨越防火墻。OPC UA使用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)，實(shí)現(xiàn)了跨Internet的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)。根據(jù)OPC UA的技術(shù)體系規(guī)范，在系統(tǒng)和設(shè)備間的車間級(jí)網(wǎng)絡(luò)體系中，采用了傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(TCP/IP)網(wǎng)絡(luò)通訊。

網(wǎng)關(guān)和原設(shè)備控制器間的通信為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)，可采用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線。IEC61784標(biāo)準(zhǔn)中定義的現(xiàn)場(chǎng)總線可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，如Modbus、RS485等。

工業(yè)以太網(wǎng)。IEC61784標(biāo)準(zhǔn)中定義的工業(yè)以太網(wǎng)可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，如Modbus/TCP、PROFINET、EtherCAT、Ethernet等。

設(shè)備控制器和設(shè)備之間則是采用內(nèi)部總線模式，大都為設(shè)備的私有協(xié)議。

4 結(jié)束語

基于OPC UA協(xié)議，以退煮漂機(jī)、絲光機(jī)、染色機(jī)、印花機(jī)和定形機(jī)5種典型設(shè)備為例，建立了設(shè)備的OPC UA信息模型，確定了設(shè)備的統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)接口，并在此基礎(chǔ)上建立了紡織智能染整車間系統(tǒng)，該模型已經(jīng)在企業(yè)中得以實(shí)際應(yīng)用。

該模型還可以推廣到其他紡織機(jī)械領(lǐng)域，解決紡織設(shè)備互聯(lián)互通的問題，為紡織設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最后通道奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在紡織行業(yè)的發(fā)展。

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