基于OPC UA 的多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)研究①

薛棟棟 張憲民 詹鎮(zhèn)輝 張 原

(華南理工大學(xué)廣東省精密裝備與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510641）

0 引言

智能制造成為制造車(chē)間發(fā)展的重要趨勢(shì)[1],而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是支撐智能制造的重要組成部分[2]。完整的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般分為3 個(gè)層次,即智能感知層、互聯(lián)互通層與智能決策層[3]。在制造車(chē)間中,經(jīng)常需要接入不同廠家、不同種類(lèi)的機(jī)器設(shè)備,這些機(jī)器設(shè)備之間通信方式多樣,私有協(xié)議繁多,設(shè)備語(yǔ)義信息不一,形成了“信息孤島”;而互聯(lián)互通層為不同機(jī)器設(shè)備之間提供了統(tǒng)一語(yǔ)義的通信方式,實(shí)現(xiàn)了隱藏差別地自由通訊、信息交互,解決了信息的多源異構(gòu)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了信息的集成與融合[4]。以機(jī)器人為代表的機(jī)器設(shè)備能在制造車(chē)間實(shí)現(xiàn)特定功能,包括抓取、搬運(yùn)、精密定位等,是制造車(chē)間的基本組成單元。機(jī)器設(shè)備的互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)制造向智能化轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)[5],其不僅可以實(shí)現(xiàn)不同機(jī)器設(shè)備之間大量的數(shù)據(jù)交互,同時(shí),使得設(shè)備過(guò)程級(jí)的加工數(shù)據(jù)得以利用,如監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)[6]、建立云平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)[7]等。

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)互通,使設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化、信息交互簡(jiǎn)便化,需要一種通用性、兼容性較好的通訊協(xié)議,本文選擇了作為工業(yè)4.0 推薦通信規(guī)范的開(kāi)放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu)(open platform communication unified architecture,OPC UA) 通訊協(xié)議[8]。OPC UA 具有以下特點(diǎn):(1)采用統(tǒng)一的地址空間模型,具有訪問(wèn)的統(tǒng)一性;(2)高性能通信;(3)應(yīng)用于不同場(chǎng)景的C/S 結(jié)構(gòu)與Pub/Sub 結(jié)構(gòu);(4)采用面向服務(wù)的架構(gòu)[9],具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性,并支持多種語(yǔ)言開(kāi)發(fā);(5)面向?qū)ο笏枷?可以建立靈活的對(duì)象信息模型;(6)可靠性和冗余性;(7)標(biāo)準(zhǔn)安全模型保證安全性[10]等。

針對(duì)OPC UA 技術(shù),國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)的研究應(yīng)用。在國(guó)外,西門(mén)子、艾默生等公司的各種產(chǎn)品開(kāi)始支持OPC UA;Unified Automation、ProSysOPC 等公司開(kāi)發(fā)的OPC UA SDK 已得到廣泛的應(yīng)用[11]。在我國(guó),OPC UA 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T33863.1-2017《OPC統(tǒng)一架構(gòu)》于2017 年9 月發(fā)布[12],OPC UA 的應(yīng)用得到不斷的推動(dòng),如在針織[13]、船舶集成平臺(tái)[14]等領(lǐng)域均得到應(yīng)用;在制造車(chē)間,王立平等人[15]、李鋒等人[16]和秦仁凱[17]對(duì)各類(lèi)制造工廠中OPC UA 的應(yīng)用進(jìn)行了研究。然而,依據(jù)機(jī)器系統(tǒng)的功能進(jìn)行詳細(xì)的信息建模并應(yīng)用的研究較少;另外,對(duì)基于OPC UA 的互聯(lián)互通架構(gòu)的研究主要為實(shí)現(xiàn)縱向的互聯(lián)互通,而沒(méi)有考慮橫向以及任意方向的互聯(lián)互通,尤其對(duì)處于不在同一局域網(wǎng)的情況如何實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的研究較少。

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)互通,本文首先針對(duì)3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與選擇順應(yīng)性裝配機(jī)器手臂(selective compliance assembly robot arm,SCARA)機(jī)器系統(tǒng),在分析各系統(tǒng)物理模型與功能的基礎(chǔ)上,提出了基于OPC UA 的信息模型;然后映射到整個(gè)制造過(guò)程,探索了應(yīng)用OPC UA 結(jié)合Web Service 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造全過(guò)程的互聯(lián)互通架構(gòu);最后設(shè)計(jì)了驗(yàn)證平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了基于建立的信息模型的多機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)互通,并驗(yàn)證了系統(tǒng)的互聯(lián)互通,為OPC UA技術(shù)在多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索和實(shí)踐,為智能制造的未來(lái)奠定了基礎(chǔ)。

1 多機(jī)系統(tǒng)信息模型

多機(jī)系統(tǒng)信息模型的建立是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的關(guān)鍵。為了形成標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型,需要對(duì)車(chē)間各物理系統(tǒng)進(jìn)行抽象,從而實(shí)現(xiàn)從物理空間到虛擬空間的映射,使得同一種類(lèi)型的設(shè)備系統(tǒng)對(duì)外呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的接口,并達(dá)成數(shù)據(jù)語(yǔ)義統(tǒng)一。在建立信息建模方面有CIM-OSA[18]、UML、OPC UA 等方法,而OPC UA 信息建模具有較大的優(yōu)勢(shì)[19]。

1.1 OPC UA 信息建模規(guī)范

OPC UA 的地址空間是由服務(wù)器中的節(jié)點(diǎn)組成,節(jié)點(diǎn)是地址空間的基本單位,其主要由屬性和引用兩部分組成,根據(jù)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)可以確定唯一的信息模型。節(jié)點(diǎn)的屬性用來(lái)描述節(jié)點(diǎn)的具體情況,引用表示節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系。在OPC UA 中,總共有8 種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn),如圖1 所示?？梢园l(fā)現(xiàn),OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)預(yù)定義了很多標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn),同時(shí)提供了對(duì)元模型進(jìn)行擴(kuò)展的自由度,如建立新的數(shù)據(jù)類(lèi)型、參考類(lèi)型等,進(jìn)而豐富語(yǔ)義,更加方便地建立信息模型。

圖1 OPC UA 地址空間節(jié)點(diǎn)類(lèi)型

OPC UA 信息建模是基于面向?qū)ο蟮乃枷?如對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn)與對(duì)象節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系相當(dāng)于類(lèi)與類(lèi)的實(shí)例化,參考類(lèi)型HasSubType 相當(dāng)于繼承等。利用OPC UA 對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行信息建模主要為對(duì)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行抽象,建立其對(duì)象類(lèi)型。

1.2 機(jī)器系統(tǒng)信息模型

本文選取的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)和SCARA 機(jī)器系統(tǒng)是用于實(shí)驗(yàn)室研制的光伏太陽(yáng)能絲網(wǎng)印刷機(jī)中的機(jī)器系統(tǒng),其中3PRR 系統(tǒng)用于絲網(wǎng)印刷中的精密定位,SCARA 系統(tǒng)用于光伏硅片的上下料。實(shí)現(xiàn)其互聯(lián)互通,不僅使光伏太陽(yáng)能絲網(wǎng)印刷機(jī)上位機(jī)更方便地控制各系統(tǒng)的運(yùn)行、監(jiān)視各系統(tǒng)的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)各機(jī)器設(shè)備在特定工位的功能,同時(shí)使得在不同工位工作的機(jī)器系統(tǒng)能夠進(jìn)行工作進(jìn)度交流,因?yàn)橛∷C(jī)印刷的節(jié)奏與分揀節(jié)奏的協(xié)調(diào)控制對(duì)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量有所影響。另外,互聯(lián)互通使設(shè)備可以接入云平臺(tái),使用獲取的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。

3PRR 是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu),它由3 個(gè)支鏈組成,每個(gè)支鏈均是由1 個(gè)移動(dòng)副和2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成,其中使用移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)單元,其機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。作為并聯(lián)機(jī)構(gòu),3PRR 具有運(yùn)行速度快、剛度大、精度高等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于精密加工、電子裝配、航空航天等領(lǐng)域。

圖2 3PRR 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

SCARA 是一種基于圓柱坐標(biāo)系的串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人,它由3 個(gè)相互平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1 個(gè)垂直方向的移動(dòng)副組成,SCARA的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。SCARA 具有結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于元件裝配、貨物搬運(yùn)、涂膠和零件打磨等領(lǐng)域。

圖3 SCARA 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

基于系統(tǒng)功能,本文建立了3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的信息模型。使用OPC UA信息建模符號(hào),分別畫(huà)出兩機(jī)器系統(tǒng)的信息模型,如圖4 和圖5 所示。

圖4 3PRR 系統(tǒng)信息模型圖

圖5 SCARA 系統(tǒng)信息模型圖

3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)和SCARA 機(jī)器系統(tǒng)是根據(jù)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行信息建模。建立3PRR 與SCARA 的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分別求運(yùn)動(dòng)的正解與逆解后[20-21],可由直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元位置或軸位置確定末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系位姿,或根據(jù)已給定的滿(mǎn)足工作要求的末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài),求各驅(qū)動(dòng)的位置。由此,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元的控制,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置反饋及使用各種算法進(jìn)行軌跡規(guī)劃以進(jìn)行不同類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)控制。因此,首先需要保證對(duì)驅(qū)動(dòng)單元足夠的控制,對(duì)3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)而言即為直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)方法,包括位置、速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及正轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)等控制方法,SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的軸類(lèi)型同理。其次,機(jī)器系統(tǒng)最重要的參數(shù)包括末端執(zhí)行器的當(dāng)前位置與系統(tǒng)狀態(tài)信息,必須能被直接獲取。另外,對(duì)整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)的全局控制不可或缺,包括連接控制卡、停止、復(fù)位等。還有,可以實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的軌跡規(guī)劃算法以方便用戶(hù)使用。最后,系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)也必須能被獲取。由信息模型圖可發(fā)現(xiàn)建立信息模型符合系統(tǒng)功能需求分析,且3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)信息模型與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)信息模型類(lèi)似,不同點(diǎn)在于:3PRR 為直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng),SCARA 為轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng),單位屬性節(jié)點(diǎn)不同;SCARA 由于不需要進(jìn)行超精密運(yùn)動(dòng),僅建立了直線(xiàn)軌跡規(guī)劃對(duì)象節(jié)點(diǎn);結(jié)構(gòu)參數(shù)意義不同,3PRR 結(jié)構(gòu)參數(shù)L1、L2、L3意義見(jiàn)圖2 所標(biāo)示,SCARA 結(jié)構(gòu)參數(shù)中,L1 代表第一、二關(guān)節(jié)之間的距離,L2 代表第二、三關(guān)節(jié)之間的距離,D4 代表絲桿垂直運(yùn)動(dòng)的初始偏置。

除了自定義對(duì)象類(lèi)型外,還使用了自定義的DataType,如自定義枚舉類(lèi)型的DataType 表示系統(tǒng)狀態(tài),自定義結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的DataType 表示軌跡規(guī)劃離散點(diǎn)等。DataType 是變量節(jié)點(diǎn)的一個(gè)重要屬性,決定變量節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。針對(duì)當(dāng)前位置,使用了2 種方式進(jìn)行信息建模:(1)建立位置的對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn),對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn)包含X、Y、θ的變量節(jié)點(diǎn);(2)建立位置信息的DataType,然后直接使用變量節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)位置。對(duì)比之下,方法(1)需建立較多節(jié)點(diǎn),而方法(2)只建立一個(gè)節(jié)點(diǎn),占用OPC UA 地址空間中的空間較小,有利于節(jié)省內(nèi)存;但方法(2)新建DataType 不是每一個(gè)OPC UA SDK 均支持,且部分客戶(hù)端需包含新建的DataType 的節(jié)點(diǎn)才可以理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),另外方法(2)新建對(duì)象類(lèi)型簡(jiǎn)單易懂,基本所有的OPC UA SDK 均支持,有利于語(yǔ)義的統(tǒng)一。

繪制信息模型圖時(shí),進(jìn)行了省略與簡(jiǎn)化,僅畫(huà)出了前向引用;自定義的變量節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型定義均為BaseDataVariableType,屬性節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型定義為PropertyType;括號(hào)中的“M”代表與Mandatory 對(duì)象節(jié)點(diǎn)有HasModellingRule 引用關(guān)系,表示強(qiáng)制必須有,同時(shí)強(qiáng)制規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的屬性,“O”同理,表示節(jié)點(diǎn)可選;使用了OPCUA標(biāo)準(zhǔn)中已有的對(duì)象類(lèi)型節(jié)點(diǎn),如文件夾類(lèi)型節(jié)點(diǎn)FolderType 節(jié)點(diǎn),基本事件類(lèi)型節(jié)點(diǎn)BaseEventType;位置類(lèi)型下的X、Y、θ變量節(jié)點(diǎn)的Historizing 屬性設(shè)置為true,表示OPC UA 歷史功能可用,以記錄歷史值,為未來(lái)的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用做鋪墊;一些變量節(jié)點(diǎn)的AccessLevel 屬性被設(shè)置,例如設(shè)置為只可讀而不可寫(xiě)的,包括所有的單位屬性節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)、當(dāng)前位置節(jié)點(diǎn)等,這些變量節(jié)點(diǎn)只可以由服務(wù)器內(nèi)部改變而不可以通過(guò)客戶(hù)端改變,防止系統(tǒng)出現(xiàn)未知的錯(cuò)誤;支持歷史的變量節(jié)點(diǎn)AccessLevel 屬性設(shè)置只可歷史讀而不可歷史寫(xiě)、歷史更新與刪除,防止歷史值被修改。

2 互聯(lián)互通架構(gòu)

在制造企業(yè)中,設(shè)備與系統(tǒng)之間的架構(gòu)如圖6所示的自動(dòng)化金字塔,主要為縱向的通信。信息由底層的位于同一車(chē)間網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備層向上至車(chē)間層的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition,SCADA)系統(tǒng),不同的制造車(chē)間再由工廠層的制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)進(jìn)行監(jiān)管,最后由企業(yè)層的企業(yè)資源規(guī)劃(enterprise resource planning,ERP)系統(tǒng)進(jìn)行資源規(guī)劃。這種縱向通信的模式比較局限,只能實(shí)現(xiàn)上層對(duì)下層的監(jiān)控,已經(jīng)不能滿(mǎn)足智能制造的需求。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的充分利用和滿(mǎn)足各種情況下的數(shù)據(jù)傳輸需求,不僅需要實(shí)現(xiàn)縱向的聯(lián)通,還應(yīng)實(shí)現(xiàn)處于同一層級(jí)的設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的集成,即橫向的聯(lián)通。現(xiàn)今,設(shè)備上云已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)與突破點(diǎn),需要實(shí)現(xiàn)云與各個(gè)層級(jí)的通信;另外,不同網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備與系統(tǒng)之間也可能需要數(shù)據(jù)互通,因此需實(shí)現(xiàn)任意方向的互聯(lián)。應(yīng)用基于OPC UA 的信息模型實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義的統(tǒng)一,然后基于OPC UA 的其他技術(shù)實(shí)現(xiàn)橫向、縱向與任意方向的聯(lián)通,如圖6 右半部分所示。主要應(yīng)用了OPC UA 中的客戶(hù)端/服務(wù)器(client/server,C/S)結(jié)構(gòu)、事件、雙向服務(wù)器與聚合服務(wù)器,并結(jié)合Web Service 給出了互聯(lián)互通架構(gòu)。

圖6 自動(dòng)化金字塔與OPC UA 通信

2.1 C/S 結(jié)構(gòu)

OPC UA 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供了兩種結(jié)構(gòu),而最常用的結(jié)構(gòu)即為C/S 結(jié)構(gòu)。C/S 架構(gòu)是軟件主流的架構(gòu)之一,其中服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的提供和管理,并向外提供服務(wù);客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求以獲取數(shù)據(jù)與服務(wù)以完成特定的任務(wù)。OPC UA 提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)以保證客戶(hù)端與服務(wù)器交互。

C/S 結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)。OPC UA 服務(wù)器可以允許多個(gè)OPC UA 客戶(hù)端訪問(wèn),在每個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)中均嵌入OPC UA 服務(wù)器即可實(shí)現(xiàn)位于不同層級(jí)的多個(gè)客戶(hù)端的訪問(wèn)。

2.2 事件

事件處理是解決信息鴻溝的重要方法之一,是由時(shí)間、因果及與其他事件的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生,代表特定的場(chǎng)景發(fā)生。事件提供了相比變量節(jié)點(diǎn)更多的信息,在OPC UA 中可以用作通知與報(bào)警。事件發(fā)生時(shí),已經(jīng)訂閱了事件通知器的客戶(hù)端會(huì)獲得通知,進(jìn)行一定的處理,這在智能制造環(huán)境中具有重要意義。首先可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制系統(tǒng)與下位機(jī)設(shè)備的聯(lián)通,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器狀態(tài)的監(jiān)控,預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生;其次有利于進(jìn)行車(chē)間前后工序的協(xié)同,從而確保精準(zhǔn)生產(chǎn),減小了對(duì)資源的調(diào)度與浪費(fèi),有利于降低成本、提高產(chǎn)能。

OPC UA 定義了基本事件類(lèi)型,包含EvevtId、EventType、Message、Severity 等屬性,可以提供事件功能。另外,OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)還定義了一系列的標(biāo)準(zhǔn)事件類(lèi)型。本文主要使用了BaseEventType 事件類(lèi)型與DialogConditionType 事件類(lèi)型。其中,Dialog-ConditionType 節(jié)點(diǎn)位于命名空間0,節(jié)點(diǎn)ID 為2830。相比一般的事件是單方面服務(wù)器對(duì)客戶(hù)端的通知,DialogCondition 事件還會(huì)等待客戶(hù)端的回應(yīng),服務(wù)器設(shè)置回調(diào)函數(shù)根據(jù)不同的回應(yīng)(選擇)做出不同的反應(yīng),如圖7 所示。

圖7 一般事件與DialogCondition 事件

2.3 聚合服務(wù)器

在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)中,可以同時(shí)嵌入多個(gè)OPC UA 服務(wù)器和OPC UA 客戶(hù)端。

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序軟件,既作為OPC UA 服務(wù)器提供數(shù)據(jù),又作為OPC UA 客戶(hù)端利用數(shù)據(jù)時(shí),這種情況稱(chēng)為雙向服務(wù)器,如圖8 所示。雙向服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了設(shè)備或系統(tǒng)的雙向通信,可以應(yīng)用于水平方向的集成。

圖8 雙向服務(wù)器

聚合服務(wù)器(圖9)是對(duì)眾多OPC UA 服務(wù)器的映射與聚合。聚合服務(wù)器中包含多個(gè)OPC UA 客戶(hù)端,各客戶(hù)端與下一層級(jí)中的OPC UA 服務(wù)器相連并獲取數(shù)據(jù)和服務(wù),再使用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)等實(shí)現(xiàn)本層級(jí)中的OPC UA 服務(wù)器。聚合服務(wù)器在設(shè)備與系統(tǒng)的垂直集成中有重要作用。

圖9 聚合服務(wù)器

2.4 Web Service

在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中,不同車(chē)間、不同工廠的設(shè)備及系統(tǒng)極有可能位于不同局域網(wǎng),OPC UA 雖然支持HTTP 協(xié)議,但大部分OPC UA SDK 并未提供相應(yīng)接口,而是基于TCP 協(xié)議,只支持局域網(wǎng)內(nèi)通信,無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意的聯(lián)通?；诖藛?wèn)題,本文提出一種OPC UA 結(jié)合Web Service 的方案實(shí)現(xiàn)任意方向的互聯(lián)互通。

Web Service 是一個(gè)平臺(tái)獨(dú)立的、可以執(zhí)行特定業(yè)務(wù)的可編程的Web 應(yīng)用程序。應(yīng)用Web Service技術(shù),可以使運(yùn)行在不同設(shè)備上的應(yīng)用調(diào)用其他網(wǎng)絡(luò)中的資源,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與集成。OPC UA 結(jié)合Web Service 技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)的互聯(lián)互通流程如圖10所示。在每一個(gè)局域網(wǎng)中均架設(shè)Web Service服務(wù)器;當(dāng)外部網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用遠(yuǎn)程連接該局域網(wǎng)中的OPC UA 服務(wù)器時(shí),Web Service 服務(wù)器能動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建OPC UA 客戶(hù)端或直接使用OPC UA 客戶(hù)端池中的客戶(hù)端,客戶(hù)端通過(guò)URL 連接局域網(wǎng)內(nèi)的特定OPC UA 服務(wù)器。外部網(wǎng)絡(luò)調(diào)用其他服務(wù)時(shí),連接服務(wù)器的客戶(hù)端獲取響應(yīng)的信息后,使用JSON 序列化信息,然后通過(guò)HTTP/SOAP 傳輸序列化后的字符串給Web Service 請(qǐng)求端,請(qǐng)求端再將字符串進(jìn)行JSON 反序列化,獲取傳輸?shù)男畔?從而實(shí)現(xiàn)了跨局域網(wǎng)的信息交互與控制。

圖10 OPC UA 結(jié)合Web Service 技術(shù)

目前已經(jīng)使用ASP.NET 開(kāi)發(fā)了一些基本的Web Service 接口,開(kāi)發(fā)的接口在瀏覽器中打開(kāi)如圖11所示,包括創(chuàng)建客戶(hù)端、連接服務(wù)器、調(diào)用方法、讀寫(xiě)變量節(jié)點(diǎn)、訂閱值變化、訂閱事件、獲得DialogCondition 節(jié)點(diǎn)信息、斷開(kāi)服務(wù)器連接等。其中,使用哈希表與數(shù)組管理客戶(hù)端池;設(shè)置了節(jié)點(diǎn)類(lèi)型枚舉與節(jié)點(diǎn)類(lèi)型映射哈希表;設(shè)置了多種JSON 序列化類(lèi),如節(jié)點(diǎn)狀態(tài)類(lèi)NodeStatus 表示瀏覽到的變量節(jié)點(diǎn)狀態(tài),離散數(shù)據(jù)點(diǎn)類(lèi)DiscreteData 表示軌跡規(guī)劃得到的離散數(shù)據(jù)點(diǎn);定義了訂閱值變化哈希表、訂閱事件哈希表存儲(chǔ)訂閱獲得的信息;使用了加鎖機(jī)制解決并發(fā)問(wèn)題等。各局域網(wǎng)中提供的Web Service 相同。

圖11 Web Service 接口

通過(guò)這些Web Service 接口,可以實(shí)現(xiàn)位于不同網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備與系統(tǒng)的相互通信,實(shí)現(xiàn)了任意方向的互聯(lián)互通?？梢曰贑/S 結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程客戶(hù)端或基于B/S 結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)智能制造車(chē)間的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

通過(guò)上述技術(shù),可以搭建出基于OPC UA 的智能制造車(chē)間互聯(lián)互通架構(gòu),如圖12 所示,實(shí)現(xiàn)了水平、垂直與任意方向的互聯(lián)互通。

圖12 智能制造互聯(lián)互通架構(gòu)

3 多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通驗(yàn)證平臺(tái)

為了驗(yàn)證本文建立的基于OPC UA 的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的信息模型與給出的智能制造互聯(lián)互通架構(gòu)的可行性與合理性,使用實(shí)驗(yàn)室位于不同位置的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與3 臺(tái)SCARA 機(jī)器系統(tǒng),搭建了多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通驗(yàn)證平臺(tái)。

3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)如圖13 所示。圖13(a)為位于實(shí)驗(yàn)室1 的3 PRR并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng),圖13(b)為位于實(shí)驗(yàn)室1的SCARA 機(jī)器系統(tǒng)1,圖13(c)為位于實(shí)驗(yàn)室2 的SCARA 機(jī)器系統(tǒng)2,圖13(d)為位于實(shí)驗(yàn)室2 的SCARA 機(jī)器系統(tǒng)3。實(shí)驗(yàn)室1 與實(shí)驗(yàn)室2 處于不同的局域網(wǎng)中,模擬位于不同制造車(chē)間、不同局域網(wǎng)中的不同設(shè)備。另外,各機(jī)器系統(tǒng)的上位機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言也不盡相同,圖13(a)與(b)為使用C#開(kāi)發(fā),圖13(c)與(d)為使用C++開(kāi)發(fā)。因此分別選擇了C#的商業(yè)庫(kù)與基于C/C++的open62541開(kāi)源庫(kù)實(shí)現(xiàn)OPC UA 功能。

圖13 3PRR 與SCARA 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)

本文搭建的多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通驗(yàn)證平臺(tái)的架構(gòu)如圖14 所示。

圖14 多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通驗(yàn)證平臺(tái)架構(gòu)圖

首先,各平臺(tái)基于本文建立的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的信息模型進(jìn)行實(shí)例化;其次,實(shí)現(xiàn)變量節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)源的綁定、方法節(jié)點(diǎn)與控制方法的綁定、OPC UA 事件與物理事件的綁定,并設(shè)置服務(wù)器訪問(wèn)控制、歷史功能等,完成OPC UA 服務(wù)器在機(jī)器系統(tǒng)中的嵌入;最后,建立OPC UA 客戶(hù)端,使形成雙向服務(wù)器。本地局域網(wǎng)中設(shè)置OPC UA 客戶(hù)端作為上位機(jī),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、事件報(bào)警處理、控制方法管理、歷史數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理等功能;本文使用第三方軟件UaExpert 作為上位機(jī)OPC UA 客戶(hù)端,其具有比較完備的客戶(hù)端功能,另外在第三方軟件中可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能更能說(shuō)明OPC UA 服務(wù)器的成功實(shí)現(xiàn)。在2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室中分別搭建Web Service 服務(wù)器,IIS 發(fā)布后再使用花生殼進(jìn)行反向代理后,所有的網(wǎng)絡(luò)都可以通過(guò)固定網(wǎng)址使用Web Service 服務(wù)器提供的接口。最后基于AJAX 與B/S 結(jié)構(gòu),使用ASP.NET 開(kāi)發(fā)了Web 網(wǎng)頁(yè)端應(yīng)用,通過(guò)Web Service 接口連接OPC UA 服務(wù)器,使用預(yù)定義好的類(lèi)對(duì)獲取的信息進(jìn)行JSON 反序列化,使用戶(hù)可以使用手機(jī)或電腦瀏覽器訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

連接SCARA 機(jī)器系統(tǒng)中的OPC UA 服務(wù)器后,在UaExpert 中的地址空間窗口中顯示如圖15 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)符合本文建立的SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的信息模型。3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)的地址空間類(lèi)似,不再展示。

圖15 SCARA 系統(tǒng)服務(wù)器地址空間

在UaExpert 中,對(duì)3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)的OPC UA 服務(wù)器中的變量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),在數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖中顯示如圖16,可以進(jìn)行正常的監(jiān)測(cè)。在UaExpert 中的歷史趨勢(shì)視圖中,對(duì)變量節(jié)點(diǎn)值的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看,如圖17 所示;此時(shí)為3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)X、Y、θ值的歷史數(shù)據(jù),設(shè)置的姿態(tài)角為60 °,圓心坐標(biāo)為(0,0),半徑為50 mm。可以發(fā)現(xiàn)歷史功能正常。

圖16 UaExpert 數(shù)據(jù)訪問(wèn)視圖

圖17 UaExpert 歷史趨勢(shì)視圖

測(cè)試DialogCondition 事件。在OPC UA 服務(wù)器中定時(shí)觸發(fā)一般事件與DialogCondition 事件,在UaExpert 的事件視圖中顯示如圖18 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)OPC UA 客戶(hù)端正常收到服務(wù)器發(fā)生事件時(shí)的通知,而且對(duì)DialogCondition 事件客戶(hù)端也可以進(jìn)行選擇,符合OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)。

圖18 UaExpert 事件視圖

在UaExpert 中觀察自定義的DataType,如圖19所示。其中子圖(a)為自定義的枚舉類(lèi)型Data-Type,用于表示系統(tǒng)狀態(tài);子圖(b)為自定義的結(jié)構(gòu)體類(lèi)型DataType,用于表示規(guī)劃軌跡離散點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)變量節(jié)點(diǎn)可以被正常讀寫(xiě),自定義的DataType 可用。

圖19 UaExpert 中觀察自定義DataType

在瀏覽器中訪問(wèn)開(kāi)發(fā)的Web 網(wǎng)頁(yè)端監(jiān)控系統(tǒng),如圖20 所示。由于頁(yè)面較大且各種功能頁(yè)面較多,因此未展示全部的內(nèi)容,圖20 為對(duì)3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)的部分網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容。用戶(hù)管理、系統(tǒng)管理、客戶(hù)端管理、瀏覽節(jié)點(diǎn)模塊以及對(duì)SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)等均不再展示。通過(guò)對(duì)網(wǎng)頁(yè)的操作,可以發(fā)現(xiàn)該Web 網(wǎng)頁(yè)端監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)3PRR 機(jī)械系統(tǒng)與3 個(gè)SCARA 機(jī)器系統(tǒng)中OPC UA服務(wù)器的遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制。

圖20 瀏覽器訪問(wèn)Web 網(wǎng)頁(yè)

以上結(jié)果證明,在3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與3 臺(tái)SCARA 機(jī)器系統(tǒng)中成功搭建了OPC UA 服務(wù)器且符合建立的信息模型,使用第三方軟件UaExpert 作為客戶(hù)端證明符合OPC UA 標(biāo)準(zhǔn),網(wǎng)頁(yè)監(jiān)控系統(tǒng)證明使用OPC UA 綜合Web Service 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)跨局域網(wǎng)的互聯(lián)互通,給出的整個(gè)系統(tǒng)的互聯(lián)互通架構(gòu)具備可行性和合理性。

相比現(xiàn)有的基于OPC UA 的多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通技術(shù)的研究方法,本文建立的信息模型包含了更多的信息,并在OPC UA 服務(wù)器中對(duì)OPC UA 技術(shù)中的大部分內(nèi)容進(jìn)行了研究與應(yīng)用;另外,基于信息模型與互聯(lián)互通架構(gòu),不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的狀態(tài)監(jiān)視,還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的運(yùn)行過(guò)程控制。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)互通,本文以系統(tǒng)功能為出發(fā)點(diǎn)首先提出了基于OPC UA 的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與SCARA 機(jī)器系統(tǒng)的信息模型,實(shí)現(xiàn)了各層之間語(yǔ)義與接口的統(tǒng)一;然后提出了OPC UA結(jié)合Web Service 的智能制造車(chē)間互聯(lián)互通的架構(gòu),實(shí)現(xiàn)跨層級(jí)、跨局域網(wǎng)的橫向、縱向與任意方向的互聯(lián)互通;最后以實(shí)驗(yàn)室位于不同局域網(wǎng)的3PRR 并聯(lián)機(jī)械系統(tǒng)與3 個(gè)SCARA 機(jī)器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了驗(yàn)證平臺(tái),證明了建立的信息模型及互聯(lián)互通架構(gòu)的可行性與合理性,為其他機(jī)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通提供了參考,對(duì)推動(dòng)智能制造發(fā)展,實(shí)現(xiàn)物理世界數(shù)字化、制造數(shù)據(jù)信息化、制造過(guò)程智能化具有一定的幫助與借鑒意義。

互聯(lián)互通是智能決策的前置條件,智能決策是智能制造的內(nèi)在核心,實(shí)現(xiàn)多機(jī)系統(tǒng)互聯(lián)互通后,進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的故障診斷、大數(shù)據(jù)處理等對(duì)實(shí)現(xiàn)智能決策具有重要意義,未來(lái)將在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的研究。