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(guò)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(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息共享，提高整個(gè)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(hào)繁雜，現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境惡劣，實(shí)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(chǎng)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(guò)程信息化系統(tǒng)中[1]。

在信息化系統(tǒng)建設(shè)中，單機(jī)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(lái)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(lái)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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)及OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。本文以粗紗工序?yàn)槔?，介紹OPC技術(shù)在紡織生產(chǎn)過(guò)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(guò)“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(jiǎn)介

OPC技術(shù)基于Windows平臺(tái)以及微軟的COM/DCOM組件對(duì)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(guò)程控制應(yīng)用，支持過(guò)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)、報(bào)警、事件與歷史數(shù)據(jù)訪問(wèn)等功能。具有語(yǔ)言無(wú)關(guān)性、代碼重用性、易于集成性等優(yōu)點(diǎn)。

OPC服務(wù)器是按照OPC技術(shù)規(guī)范開發(fā)的軟件驅(qū)動(dòng)，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(guò)定制接口或自動(dòng)化接口實(shí)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(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控[3]。在本系統(tǒng)中，通過(guò)安裝在服務(wù)器上的OPC服務(wù)器軟件實(shí)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(guò)OPC客戶端讀取OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)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(xiàng)目中，粗紗工序有20臺(tái)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(shí)現(xiàn)此工序的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

方案1每10臺(tái)設(shè)備添加一個(gè)“CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊”，通過(guò)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(tái)設(shè)備添加一個(gè)“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(shí)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(duì)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(shí)時(shí)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性。

（1）實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性；方案2和方案3為保證通信的可靠性和延長(zhǎng)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(jī)OPC服務(wù)器軟件，具有很好的兼容性和穩(wěn)定性。

因此通過(guò)對(duì)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(jì)

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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，然后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接到工業(yè)級(jí)交換機(jī)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(guò)“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(jī)也通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)電纜連接到工業(yè)級(jí)交換機(jī)上。實(shí)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(shí)際應(yīng)用需求，其主要特點(diǎn)：

（1）粗紗設(shè)備間互連采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)CAN總線電纜；以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)選用工業(yè)級(jí)交換機(jī)、RJ45工業(yè)以太網(wǎng)接頭、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)電纜以及交換機(jī)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(shí)時(shí)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(chǎng)有很多因素可能導(dǎo)致OPC服務(wù)器和客戶機(jī)工作異常，出現(xiàn)數(shù)據(jù)連接失敗等故障情況，如運(yùn)行OPC服務(wù)器的計(jì)算機(jī)異常關(guān)機(jī)、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(yùn)行。因此，為提高系統(tǒng)的可靠性，增強(qiáng)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(jī)。

2.3.2 冗余系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)理

采用兩臺(tái)OPC服務(wù)器定時(shí)分別向兩臺(tái)OPC客戶機(jī)發(fā)送通信狀態(tài)字、運(yùn)行狀態(tài)字和設(shè)備連接狀態(tài)字等狀態(tài)信息[5]，兩臺(tái)OPC客戶機(jī)上的應(yīng)用程序通過(guò)狀態(tài)字監(jiān)控服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)并根據(jù)其與服務(wù)器的通信狀態(tài)來(lái)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(tái)服務(wù)器同時(shí)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(jī)A和B能夠同時(shí)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(tái)OPC客戶機(jī)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(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)將客戶機(jī)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(dòng)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(chǎng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(tái)粗紗車共用一個(gè)OPC服務(wù)器。OPC服務(wù)器軟件中配置2個(gè)主站，每個(gè)主站下有10個(gè)設(shè)備，每個(gè)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(yùn)行參數(shù)以及I/O信息。

3.2 OPC服務(wù)器與客戶機(jī)遠(yuǎn)程通信技術(shù)

OPC服務(wù)器與OPC客戶機(jī)應(yīng)用程序分別位于不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交換，首先需要對(duì)OPC服務(wù)器的DCOM進(jìn)行配置，賦予客戶機(jī)訪問(wèn)權(quán)限。

首先設(shè)置防火墻，并建立OPC服務(wù)器與客戶機(jī)相互識(shí)別的用戶賬號(hào)[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(chǎng)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(chǎng)控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將生產(chǎn)過(guò)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(bào)表設(shè)計(jì)、變量記錄、報(bào)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(tái)客戶機(jī)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(dòng)程序“OPC.chn”。然后在此驅(qū)動(dòng)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(dòng)建立變量時(shí)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(dòng)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(shí)際工程應(yīng)用情況

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了粗紗紡織設(shè)備生產(chǎn)過(guò)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(lái)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)；并且通過(guò)后臺(tái)腳本語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗紗設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控和管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警信息的回顧、訂單跟蹤等功能。

粗紗單臺(tái)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(yùn)行信息、設(shè)定參數(shù)和I/O信息等。

圖3 單臺(tái)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控粗紗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等信息，實(shí)現(xiàn)訂單跟蹤、產(chǎn)量評(píng)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可實(shí)現(xiàn)員工、機(jī)臺(tái)、輪班的班產(chǎn)量、月產(chǎn)量、年產(chǎn)量的查詢，為員工工資計(jì)算提供幫助，并且減少了人工抄表、錄入、計(jì)算的工作量和錯(cuò)誤的出現(xiàn)。

（3）系統(tǒng)可為工藝管理人員提供每一臺(tái)粗紗車的生產(chǎn)工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工藝數(shù)據(jù)，分析對(duì)比，防止和及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤和機(jī)臺(tái)運(yùn)行異常，提高產(chǎn)品質(zhì)量水平。

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

（5）通過(guò)對(duì)機(jī)臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)粗紗車的設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)和效率評(píng)價(jià)。設(shè)備維護(hù)、電氣維修、生產(chǎn)管理等人員可以采取針對(duì)性的維護(hù)和管理措施。

（6）系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性較高、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將OPC技術(shù)融入到工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線中，完成了粗紗工序生產(chǎn)過(guò)程的信息化。實(shí)現(xiàn)對(duì)粗紗單機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控以及設(shè)備故障的在線診斷和報(bào)警等操作；并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大增強(qiáng)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(shí)間間隔減少至3.2 s，實(shí)時(shí)性能夠滿足用戶需求，并采用了冗余架構(gòu)，確?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。OPC作為現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)異構(gòu)的問(wèn)題，彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)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(jià)值的參考。

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