許俊杰 雷超帆 鄭博

摘 要：針對高速鐵路建設(shè)的特點，提出了起重機械遠程運維的思路。OPC UA技術(shù)具有良好的系統(tǒng)兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)多點、多設(shè)備的數(shù)據(jù)采集傳輸，實現(xiàn)了起重機械遠程運維的可操作性。高速鐵路起重機械遠程運維的使用大大提高了運維便捷性，進一步保障了高速鐵路建設(shè)的工程進度和安全性。

關(guān)鍵詞：OPC UA，起重機械，遠程運維

先進軌道交通裝備是《中國制造2025》十大重點突破發(fā)展領(lǐng)域之一，包括架橋機、提梁機、運架一體機等起重機械是高速鐵路建設(shè)的核心裝備；根據(jù)2016年修訂的《鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》，預計到2025年，我國高鐵總長將達到3.8萬公里，其中起重機械需求穩(wěn)步增加[1]。起重機械在鐵路施工的過程中經(jīng)常遇到偏僻惡劣的工況環(huán)境，一旦設(shè)備發(fā)生故障，維修人員需要花費大量的時間、人力和物力到達工程地點進行現(xiàn)場搶修，成本費用很高。面對現(xiàn)階段高速鐵路起重機械施工過程中的運維迫切需求，亟需開發(fā)出一種起重機械遠程運維系統(tǒng)，實現(xiàn)技術(shù)人員遠程指導現(xiàn)場人員對起重設(shè)備的運行維護[2]。

1 OPC UA技術(shù)介紹

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）被稱為多設(shè)備系統(tǒng)的“中間件”技術(shù)，在過程控制方面有著廣泛的應用，是為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、主機控制軟件之間實現(xiàn)快速連接的通信接口技術(shù)。然而，大部分的工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備沒有嵌入式系統(tǒng)，無法實現(xiàn)通過COM接口實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的傳輸。為了統(tǒng)一雜亂的設(shè)備接口協(xié)議，實現(xiàn)多系統(tǒng)軟件的有效整合，OPC UA應運而生，其面向服務的架構(gòu)實現(xiàn)了包括Windows、Linux等多操作系統(tǒng)的兼容橋梁，使數(shù)據(jù)的傳輸不限于特定系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的共享。

2 OPC UA技術(shù)應用場景

OPC UA作為一個數(shù)據(jù)兼容傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)技術(shù)，可以實現(xiàn)多設(shè)備終端與多臺服務器的連接。設(shè)備終端可以是傳感器、監(jiān)控設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等，這些設(shè)備終端可將數(shù)據(jù)信息通過OPC UA定義的統(tǒng)一傳輸協(xié)議傳輸給指定的服務器，服務器通過對數(shù)據(jù)的處理，將信息分發(fā)給相應的指令終端，實現(xiàn)對設(shè)備終端的可控可操作功能。

3 高速鐵路起重機械運維特點

高速鐵路起重機械主要用于在高速鐵路路網(wǎng)建設(shè)中，對大型預制件等體積重量大的建設(shè)材料進行移位、吊裝，并且這些起重機械會隨著工程進度，不斷的變換工作地點。在這種工況環(huán)境下，高速鐵路起重機械的運維有以下幾個特點：

1.作業(yè)流動性大，工況復雜，運維人員不便進行維護保養(yǎng)；

2.起重機械存量大，技術(shù)人員不能滿足需求；

3.起重機械作額定載荷大，外形尺寸大，型式特殊，非標設(shè)計，動作復雜，安全性要求高，需要不同專業(yè)技術(shù)人員協(xié)作進行故障判定；

4.通信協(xié)議不統(tǒng)一，集成困難，設(shè)備運營商難以對多廠家的起重機械集中管控，無法形成有效全面的大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

鑒于高速鐵路起重機械運維的特點，采用運維人員遠赴現(xiàn)場進行設(shè)備維修的救火方式，既浪費了大量的人力、物力，又造成了工程施工進度的延遲。相比較而言，采用技術(shù)專家遠程獲取設(shè)備參數(shù)來診斷設(shè)備故障發(fā)生的原因，通過遠程指導現(xiàn)場操作人員進行設(shè)備維修的方式，是一種較為經(jīng)濟、便捷高效的運維方式。

4 OPC UA技術(shù)應用實例

4.1 OPC UA 體系架構(gòu)

基于OPC UA，在遠程運維系統(tǒng)中實現(xiàn)交互信息、使用指令和執(zhí)行控制。OPC UA是一個平臺無關(guān)的標準，使用該標準可在位于不同類型網(wǎng)絡上的客戶端和服務器間發(fā)送消息，以實現(xiàn)不同類型系統(tǒng)和設(shè)備間的通信。它支持健壯、安全的通信，可確?？蛻舳撕头掌鞯淖R別并抵御攻擊。OPC UA可被映射到不同的通信協(xié)議，并對數(shù)據(jù)可按照不同方式進行以平衡可移植性性和效率。

OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由OPC服務器和客戶端兩個部分組成，每個系統(tǒng)可以包括多個客戶端和服務器。每個客戶端可同時與一個或多個服務器交互，每個服務器可以與一個或多個客戶端交互。一個應用客戶將服務器和客戶端部件組合在一起，以允許與其他服務器和客戶端交互[3]。

在高速鐵路施工現(xiàn)場的遠程運維現(xiàn)場端軟件中同時包括兩個OPC UA客戶端，其中一個OPC UA客戶端和起重機械控制系統(tǒng)的PLC內(nèi)置OPC Server進行實時數(shù)據(jù)采集和本地的數(shù)據(jù)監(jiān)控[4]；另外一個OPC UA客戶端和遠程監(jiān)控中心的OPC UA服務端進行數(shù)據(jù)交換[5]。在遠程運維監(jiān)控中心中可以包括多個服務端，每個服務器可以管理服務多個起重機械遠程運維的客戶端，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸交換和信息互聯(lián)互通[6]。OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

OPC UA提供了一致和完整的地址空間、服務模型和安全模型，允許一個個單一的OPC UA服務器把數(shù)據(jù)、報警與事件和歷史信息統(tǒng)一到它的地址空間里[7]，這些包括數(shù)據(jù)、報警、事件和歷史數(shù)據(jù)的地址空間可以用一套統(tǒng)一的服務為它們向外提供接口，以實現(xiàn)其他系統(tǒng)對數(shù)據(jù)訪問的一致性和便捷性。

網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)編碼模塊（通信棧）可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼、加密和傳輸，安全及配置模塊可實現(xiàn)服務器啟動時配置各項參數(shù)，建立起服務器與客戶端之間的唯一數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)的地址空間和數(shù)據(jù)存儲模塊構(gòu)建與現(xiàn)實對象相對應的地址空間，并根據(jù)不同的任務創(chuàng)建相應的視域，采集并保存現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以及服務器的配置[8]。

4.2 遠程運維系統(tǒng)

遠程運維最為主要的功能是實現(xiàn)技術(shù)人員與現(xiàn)場操作人員的遠程溝通，也就是實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通和信息對等。信息對等是進行遠程運維的第一步，假如技術(shù)人員不能全面、準確的了解設(shè)備出現(xiàn)的問題以及出現(xiàn)問題的原因，就無法制定詳細并符合現(xiàn)場實際情況的維修方案。依賴OPC UA技術(shù)，還原現(xiàn)場實時和歷史工況數(shù)據(jù)，為遠程故障診斷和遠程控制修復提供了通道。

在遠程運維的現(xiàn)場端軟件中，利用OPC UA技術(shù)，實現(xiàn)對不同傳感器和現(xiàn)場層傳輸原始數(shù)據(jù)和預處理的信息的統(tǒng)一采集方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。在遠程運維的監(jiān)控中心，通過搭建OPC UA服務的方式，面向服務的架構(gòu)的（SOA）設(shè)計范例方式實現(xiàn)和多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)語

基于OPC UA技術(shù)的遠程運維系統(tǒng)，可使起重機械技術(shù)人員像在現(xiàn)場一樣隨時隨地對設(shè)備狀態(tài)進行了解，制定相關(guān)維修方案；同時，該系統(tǒng)能夠記錄設(shè)備在正常情況下的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對其能耗、溫度、壓力等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，為高速鐵路機械設(shè)備的遠程運維、故障報警和預警功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免在故障發(fā)生后由于技術(shù)人員不能第一時間獲取故障信息所帶來的巨大損失。更為重要的是，在實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控、遠程維護的過程中所收集到的大量的設(shè)備運行參數(shù)，能夠為設(shè)備制造商對后續(xù)產(chǎn)品的升級優(yōu)化提供大量的數(shù)據(jù)支持，使企業(yè)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)成功預測未來市場的發(fā)展動向和關(guān)鍵技術(shù)，并進行相應的改革升級，給起重機械技術(shù)的創(chuàng)新帶來更快的速度、更高的效率、更高的成本、更具遠見的洞察能力。

參考文獻

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作者簡介

許俊杰，男，鄭州大學機械工程學院研究生，主要研究方向為機械電子技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng).

雷超帆，男，鄭州大學機械工程學院研究生，主要研究方向為機械設(shè)計及理論.

鄭博，男，鄭州大學機械工程學院碩士，中原工學院講師，主要研究方向為機械電子技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng).