基于OPC UA技術(shù)構(gòu)建支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集平臺

范 勇

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，對極限制造的重型裝備的需求越來越高。同時對重型裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)過程提出了更高要求，企業(yè)迫切需要能夠及時監(jiān)測到設(shè)備運行的關(guān)鍵參數(shù)。按照其他行業(yè)的經(jīng)驗，實現(xiàn)加工設(shè)備的數(shù)據(jù)采集很有幫助，由于重型裝備的機加車間多數(shù)為傳統(tǒng)工藝布局，車間內(nèi)部的加工設(shè)備類型很多，涉及到各種接口，多種協(xié)議，屬于典型的多源異構(gòu)環(huán)境。在這種復雜環(huán)境中實施數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)面臨著很多風險，企業(yè)投入大，開發(fā)難度高，即使開發(fā)出來，隨著企業(yè)內(nèi)部信息化建設(shè)的需要，各種應用系統(tǒng)需要接入，修改起來非常復雜。

因此探討了一種基于OPC UA技術(shù)實現(xiàn)的支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的平臺的基本原理和架構(gòu)，并將其實用化。

1 重型裝備機加車間數(shù)據(jù)采集特點分析

1.1 重型裝備機加車間生產(chǎn)特點

重型裝備具有單件小批量、涉及極限制造、加工精度要求高等特點，制造工藝不穩(wěn)定，且非常復雜，一旦出現(xiàn)加工失誤，損失巨大。

重型裝備的核心零件制造工藝很長，覆蓋鋼水冶煉、澆注、鍛壓、機加、焊接、裝配等工藝門類，其中機械加工是制造的重要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于重型裝備產(chǎn)品特點和工藝特點，重型裝備的機加車間布局往往按照工藝專業(yè)化原則組成生產(chǎn)單元，將具備同類型加工工藝的設(shè)備和同類型的裝配方法集中在一起，整個車間擁有多組不同類型的加工設(shè)備。核心零件由工藝人員和生產(chǎn)人員根據(jù)零件的設(shè)計特性和生產(chǎn)設(shè)備負荷情況確定工藝加工方案，并在生產(chǎn)制造過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況，不斷優(yōu)化調(diào)整加工方案。

1.2 重型裝備機加車間數(shù)據(jù)采集難點

重型裝備機加車間一般都有多種工業(yè)設(shè)備及很多信息化系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、車間信息系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)等多個層次、多種智能化設(shè)備的集成，如何全面對這些加工設(shè)備、信息化系統(tǒng)進行綜合信息集成，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與集成是重型裝備數(shù)字化車間的一大難題。

2 重型裝備機加車間數(shù)據(jù)采集解決方案

對重型裝備機加車間采用OPC UA技術(shù)進行數(shù)據(jù)建模，并在OPC UA服務器完成這些模型實例化。搭建一個數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、轉(zhuǎn)換和OPC UA地址空間的映射。重型裝備數(shù)字化車間的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺主要完成對車間各種加工設(shè)備的監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和報警等功能。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺成為車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)服務平臺，作為重型裝備機加車間各系統(tǒng)集成架構(gòu)的核心，將各種加工設(shè)備和工業(yè)軟件服務進行連接和交互，具備生產(chǎn)過程監(jiān)控、實時報警和可視化功能。該系統(tǒng)通過開放的OPC UA模型向ERP、MES其他信息化系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警等類型的數(shù)據(jù)服務，并接收MES的生產(chǎn)指令，成為機加車間信息化系統(tǒng)與加工設(shè)備的黏合層，起到將真實物理世界和虛擬工廠模型雙向聯(lián)通和實時映射的作用。

2.1 本方案需要解決的重點問題

2.1.1 數(shù)據(jù)采集量大且頻度高

現(xiàn)場采集模塊采集速率最高為4 kHz，采集一次需要250 μs，采集數(shù)據(jù)量大，且采集點多，需要同步穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)量發(fā)送到云端，普通傳輸組件難以完成，需要能在重負載、多線程情況下長期穩(wěn)定工作的組件。

2.1.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)源快速接入

車間現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集包含多類設(shè)備源(從不同供應商采購的不同類型的PLC設(shè)備，不同種類、不同用處的各種傳感設(shè)備、各種協(xié)議)。為實現(xiàn)多源異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，需要大量將信息化與工業(yè)自動化技術(shù)高度融合起來，共同滿足用戶要求。

由于重裝行業(yè)的特殊性，設(shè)備制造現(xiàn)場作為最重要的數(shù)據(jù)信息來源，存在大量的雜亂、重復、不完整、異構(gòu)的信息，為克服它們之間存在的信息交互差距，對工廠制造過程生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和分析集成要求更高。對重型裝備機加車間現(xiàn)場復雜的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集，必須解決不同工業(yè)網(wǎng)絡的現(xiàn)場裝備之間，現(xiàn)場裝備與上層控制、維護系統(tǒng)之間存在的異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)議適配的難題。

2.1.3 上層應用系統(tǒng)無縫接入

MES端在一個界面上能實時顯示多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，同時由于需要使用多種客戶端接入，后臺提供數(shù)據(jù)的模型必須是一套統(tǒng)一的架構(gòu)，從建模到數(shù)據(jù)提供均以統(tǒng)一完整的模式提供。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

重型裝備機加車間數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控平臺的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控平臺系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2.3 采用OPC UA建模技術(shù)

2.3.1 理解OPC UA建模

OPC UA是在工業(yè)數(shù)據(jù)采集和工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通領(lǐng)域使用的一種協(xié)議。為了方便理解，可以使用對象定義的技術(shù)，將加工設(shè)備、傳感裝置等工業(yè)要素定義成數(shù)字模型。不同應用系統(tǒng)間的接口(OPC UA)可以按照面向?qū)ο蟮拈_發(fā)模式進行設(shè)計，進而實現(xiàn)讀取和控制設(shè)備。

如對于一個溫度傳感器，可以設(shè)計成如圖2。

圖2 溫度傳感器

該設(shè)計定義了溫度傳感器的基本特性，包括當前溫度、最高報警溫度、最低報警溫度、還包括獲取當前溫度的方法。

在具體使用過程中，客戶端程序?qū)囟葌鞲衅鲗嵗删唧w對象，并且賦值，如圖3所示。

圖3 溫度傳感器實例化

OPC UA使用了對象(objects)作為過程系統(tǒng)表示數(shù)據(jù)和活動的基礎(chǔ)。對象包含變量、事件和方法，它們通過引用(reference)互相連接。這個概念和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法非常相似。

OPC UA信息模型是節(jié)點的網(wǎng)絡(Network of Node)，或者稱為結(jié)構(gòu)化圖，由節(jié)點和引用(References)組成，這種結(jié)構(gòu)圖稱之為OPC UA的地址空間。這種圖形結(jié)構(gòu)可以描述各種各樣的結(jié)構(gòu)化信息。

如為熱模鍛壓力機建立OPC UA模型。該設(shè)備具有兩個組件，一個啟動設(shè)備方法，一個數(shù)字量輸出，如圖4所示。該模型如果使用C#語言的類來描述，如圖5所示。

圖4 熱模鍛壓力機的OPC UA模型

圖5 熱模鍛壓力機模型的C#語言描述

可以將C#語言的類與OPC UA的節(jié)點圖對應起來，使用支持OPC UA協(xié)議的建模軟件進行建模，然后輸出XML文件；同時改建模軟件自帶的編譯器，將XML編譯成支持C#語言的類定義代碼。

2.3.2 建立OPC UA數(shù)字化車間模型

一個OPC模型可以包含靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、過程方法三類子模型，子模型又可以繼續(xù)向下嵌套，包含三種子模型，同時子模型之間還可以相互引用。

從抽象角度考慮，重型裝備機加車間的構(gòu)成是業(yè)務模塊+生產(chǎn)資源。業(yè)務模塊包含生產(chǎn)計調(diào)、質(zhì)量檢驗、設(shè)備維護、現(xiàn)場操作等業(yè)務領(lǐng)域。生產(chǎn)資源則是為了完成這些業(yè)務領(lǐng)域定義流程的各種參與，如加工設(shè)備、操作人員、原材料、毛坯、轉(zhuǎn)運過來的半成品、工裝輔具等等。生產(chǎn)資源分布在各業(yè)務模塊內(nèi)部，生產(chǎn)資源之間的互動往往是通過各種類型的單據(jù)進行指令和消息的傳遞。

以上業(yè)務對象可以從面向?qū)ο蟮慕嵌冗M行抽象分析為OPC UA模型，而這些模式與面向?qū)ο笾惺褂玫募夹g(shù)一樣，都具有屬性和方法。在面向?qū)ο蟮念I(lǐng)域中，對象與對象之間由各種關(guān)系構(gòu)成，主要有聚合、包含、引用等等。OPC UA建模與之類似，也可建立由各種對象類型構(gòu)成的重型裝備數(shù)字化車間。

將車間的構(gòu)成從靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、過程方法等組織成層次化的對象樹。對象包含屬性和方法等成員。屬性是對象的數(shù)據(jù)定義，可以進行讀取或者設(shè)置；方法是對對象的操作定義，既可以用方法讀取或者設(shè)置對象內(nèi)部數(shù)據(jù)，也可以在方法內(nèi)部封裝業(yè)務邏輯，實現(xiàn)具體業(yè)務功能。

對象屬性可以是簡單的數(shù)值類型，也可以是復雜的對象。由此可知數(shù)字化車間模型可以是復雜的嵌套模型。根據(jù)邏輯定義，重型裝備數(shù)字化車間的OPC UA模型可用圖6表示。

圖6 OPC UA模型

2.3.3 車間模型的實例化

OPC UA模型是抽象建模，構(gòu)建實際系統(tǒng)時必須將其實例化。實例化是將每個抽象模型中的要素根據(jù)實際情況進行賦值。

建模流程具體實現(xiàn)方式為：

采用OPC UA建模工具按照物理世界的實際情況進行描述，編制模型定義文件(XML格式)；OPC UA服務器解析該文件，并按OPC UA規(guī)范完成向OPC UA地址空間映射，建立地址空間；OPC UA服務器通過接口與下位機或者下位系統(tǒng)交互，獲取相應數(shù)據(jù)對OPC UA模型進行填充；其他客戶端系統(tǒng)(常見的系統(tǒng)是MES系統(tǒng))通過特定OPC UA服務器暴露接口訪問OPC UA服務器，獲取模型信息，并通過方法與模型進行交互，例如查詢模型值，更改模型值等，還可對下位機或下位系統(tǒng)發(fā)出控制指令，使下位設(shè)備或下位系統(tǒng)執(zhí)行指令?；贠PC UA實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集與協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2.4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集

主要采集對象是網(wǎng)絡化協(xié)同制造模式下的各類加工裝備以及產(chǎn)品的運行環(huán)境、裝備本體以及傳動系統(tǒng)、加工單元、數(shù)控單元、輔助單元、調(diào)試和測試單元的數(shù)據(jù)，采集方法主要有以下幾種：

(1)直接與數(shù)控系統(tǒng)進行通訊，采集數(shù)據(jù)；

(2)利用網(wǎng)關(guān)采集裝備PLC數(shù)據(jù)；

(3)加裝傳感器；

(4)利用可移動的二級終端采集。

在車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建設(shè)中，可根據(jù)車間已有的加工設(shè)備類型和要接入的終端類型來確定。往往是多種多種采集方式的結(jié)合，因此由于這些數(shù)據(jù)是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。下面討論幾種關(guān)鍵模式：

2.4.1 PLC采集方式

(1)對于現(xiàn)場PLC數(shù)量較少的環(huán)境，可采用OPC UA sdk開發(fā)讀取模塊，直接連接PLC，將其數(shù)據(jù)讀出，然后發(fā)送到云端。

(2)對于現(xiàn)場PLC數(shù)量較多的環(huán)境，可采用部署OPC UA服務器，各PLC連接到OPC UA服務器，由服務器收集數(shù)據(jù)后，統(tǒng)一發(fā)送數(shù)據(jù)到采集中心，其拓撲圖見圖7。

圖7 拓撲圖

2.4.2 ModBus

傳感器等設(shè)備多數(shù)采用Modbus協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，與PLC方案類似，如果現(xiàn)場傳感設(shè)備較少，可以采用簡單采集程序直接點對點；如果數(shù)量較多，采用OPC UA服務器統(tǒng)一采集后，打包發(fā)送到采集中心。

2.4.3 數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)場使用的采集系統(tǒng)可能由第三方提供，并不提供直接訪問設(shè)備的SDK，因此可以采用從數(shù)據(jù)庫讀出數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到采集中心的方式。

2.4.4 異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換

在數(shù)字化車間構(gòu)建過程中，要將現(xiàn)場的多個終端(加工設(shè)備，手持設(shè)備，工位機)接入系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)都運行著各自的協(xié)議，將這些協(xié)議轉(zhuǎn)換并匯聚成OPC UA協(xié)議，統(tǒng)一對外提供服務。

2.4.5 OPC UA客戶端和OPC UA服務器的交互方式

(1)客戶端直接請求?？蛻舳税l(fā)送請求給服務器，OPC UA服務器接收請求后，在服務器地址空間查詢OPC UA模型并執(zhí)行相應處理代碼，執(zhí)行后給調(diào)用者返回響應消息，響應信息中包含調(diào)用者所期望的結(jié)果，這種調(diào)用方式屬于同步調(diào)用。

(2)訂閱請求模式。OPC UA服務器對外發(fā)布訂閱通知，客戶端可通過訂閱列表查詢所有訂閱，并根據(jù)需要選擇訂閱。一旦訂閱服務有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，會自動通知所有已訂閱該服務的客戶端獲取數(shù)據(jù)，這種調(diào)用方式屬于異步調(diào)用。

2.5 采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸

采用成熟協(xié)議和組件，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

機加車間生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)匯聚到OPC UA服務器后，采用可靠、穩(wěn)妥、簡便的方式將其傳輸?shù)皆贫松系臄?shù)據(jù)庫服務器，才能供其他應用系統(tǒng)使用。選擇能滿足該要求的MQTT協(xié)議。MQTT是即時輕量級通訊協(xié)議，可在低帶寬、高延時、不穩(wěn)定的網(wǎng)絡實現(xiàn)可靠有效通訊服務。它可以保證從采集服務器到云端服務器的可靠性，從PLC到OPC UA服務器的傳輸采用Log4Net組件進行實現(xiàn)。將從PLC中讀取出來的數(shù)據(jù)，打包成Log4Net格式，然后使用多線程傳輸能力，將其傳輸?shù)絆PC UA服務器。

2.6 開發(fā)工具的選擇

使用Unified Automation的OPC UA開發(fā)包SDK，開發(fā)OPC UA調(diào)用客戶端。該開發(fā)包是基于.NET的OPC UA Server/Client SDK，適用于Windows環(huán)境下OPC UA應用的開發(fā)，支持32位和64位Windows操作系統(tǒng)以及多個版本的NET Framework。

基于OPC UA提供的SDK進行二次封裝，基于net 4.6.1創(chuàng)建跨平臺庫，實現(xiàn)和OPC UA Server進行數(shù)據(jù)交互。

2.7 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的實際運用

為驗證以上方案的可操作性，選擇某重型裝備制造企業(yè)的一個機加車間。該車間有各種加工設(shè)備25臺，這些加工設(shè)備基本都是數(shù)控系統(tǒng)，都具有網(wǎng)絡接口，可以從網(wǎng)絡接口直接采集數(shù)據(jù)。部分設(shè)備加裝有傳感器，采用特殊值采集。已經(jīng)信息化的系統(tǒng)有：

(1)MES系統(tǒng)。開發(fā)了車間零部件交接、業(yè)務聯(lián)系單流轉(zhuǎn)、作業(yè)施工大票管理、工序小票管理等模塊。

(2)QM系統(tǒng)。完成工序級的質(zhì)量檢驗。

(3)OPC UA服務器。使用UaModeler對該車間加工設(shè)備建立信息模型，將多設(shè)備通過協(xié)議轉(zhuǎn)換并進行匯集，將數(shù)據(jù)保存到MySql數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)從MySql數(shù)據(jù)庫讀出后向OPC UA服務器信息模型地址空間進行映射，完成模型實例化。

(4)在MES系統(tǒng)內(nèi)擴充開發(fā)OPC UA客戶端，調(diào)用OPC UA服務器中的模型數(shù)據(jù)，并在前端采用可視化控件形象地顯示模型數(shù)據(jù)。

(5)開發(fā)手機APP，使用同樣的OPC UA模型，由于OPC UA模型本身具備層次化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以使開發(fā)人員很容易實現(xiàn)多個加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集的集成顯示，以及與ERP軟件的信息互通。

3 結(jié)論

通過分析重型裝備機加車間企業(yè)特點、業(yè)務板塊、生產(chǎn)特點、數(shù)據(jù)采集特點，提出了數(shù)據(jù)采集信息模型的要求。并按照面向?qū)ο笳Z言的邏輯，提出按照靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、過程方法構(gòu)建OPC UA模型對象的方案，同時對該機加車間數(shù)據(jù)采集的具體特點進行分析，對可能碰到的難點和要點提出針對性的技術(shù)解決方案。

采用OPC UA技術(shù)進行數(shù)據(jù)建模，并在OPC UA服務器完成模型實例化。通過搭建一個數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、匯聚、轉(zhuǎn)換和OPC UA地址空間的映射。同時驗證了本文提出的按照面向?qū)ο蟮倪壿嫿⒌腛PC UA模型具備很強的適用性。對指導其他車間建立數(shù)字化采集平臺信息模型的建模、集成和傳輸具有參考價值，對建設(shè)數(shù)字化車間具有一定的參考價值。