王 平，李汝鵬，邢宏文

（上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324）

隨著我國(guó)航空工業(yè)的飛速發(fā)展以及航空裝備自動(dòng)化程度的提高，自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線在飛機(jī)裝配現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，飛機(jī)在裝配過程中產(chǎn)生的信息主要包括設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、裝配工藝流程信息、排產(chǎn)信息等，采集這些信息是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控、質(zhì)量管理、生產(chǎn)狀態(tài)分析的前提和基礎(chǔ)，也是實(shí)施MES系統(tǒng)不可或缺的條件。如何對(duì)裝配過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和統(tǒng)計(jì)分析，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備與質(zhì)量的精細(xì)化控制與管理，是國(guó)內(nèi)多數(shù)航空企業(yè)迫切需要解決的問題。因此，必須通過創(chuàng)建面向飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)收集和處理分析生產(chǎn)過程中的海量數(shù)據(jù)，從而為飛機(jī)裝配的生產(chǎn)、管理和決策提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文將針對(duì)多條飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的不同控制設(shè)備，研究其運(yùn)行過程數(shù)據(jù)采集方法，制定相應(yīng)的接口規(guī)范，基于通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（OPC），借助成熟的數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)從設(shè)備層采集生產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到SQL數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析和管理決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 OPC技術(shù)簡(jiǎn)介

在工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品日益豐富的今天，越來越多的控制設(shè)備、傳感器、智能儀表等出現(xiàn)在工業(yè)控制的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，一般而言，一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)會(huì)使用來自不同廠家的產(chǎn)品，不同廠家產(chǎn)品之間的通信協(xié)議很難保證一致，不同制造系統(tǒng)之間的差異更大，要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的信息集成，需要針對(duì)不同廠家的產(chǎn)品開發(fā)大量的專用驅(qū)動(dòng)程序，而且一旦產(chǎn)品硬件發(fā)生變化，需要重新為新硬件開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，產(chǎn)品的靈活性和重用性差，浪費(fèi)大量的人力物力，不利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和集成開發(fā)。為解決這個(gè)問題，國(guó)際上一些主要的自動(dòng)化設(shè)備及儀器儀表供應(yīng)商于1996年8月成立了OPC基金會(huì)，其目標(biāo)就是制定一個(gè)統(tǒng)一的工業(yè)控制系統(tǒng)通信接口標(biāo)準(zhǔn)（即OPC規(guī)范），即后來出現(xiàn)的OPC技術(shù)。

OPC的全稱是OLE for Process Control，OPC是一個(gè)以COM/DCOM技術(shù)為基礎(chǔ)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，由OPC服務(wù)器和OPC客戶端兩部分組成[1]，OPC服務(wù)器與數(shù)據(jù)源連接，數(shù)據(jù)源包括PLC、DCS、智能儀器等控制設(shè)備，OPC服務(wù)器通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)，并通過自己的接口提供給用戶；OPC客戶端通過OPC接口實(shí)現(xiàn)對(duì)OPC服務(wù)器的訪問，讀取OPC服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的OPC規(guī)范包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)存取規(guī)范、報(bào)警與事件存取規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)和批量數(shù)據(jù)存取規(guī)范、服務(wù)器數(shù)據(jù)交換規(guī)范等[2]。OPC技術(shù)主要應(yīng)用于在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)訪問、報(bào)警和事件處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問等幾大工控領(lǐng)域[3]。

飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線由于集成制造商和控制系統(tǒng)的不同，每條生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)相互獨(dú)立且數(shù)據(jù)接口各異，因此，為實(shí)現(xiàn)多條飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，OPC技術(shù)成為理想的選擇。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文基于OPC技術(shù)，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫三部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集對(duì)象

本文研究的數(shù)據(jù)采集對(duì)象為多條不同的飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線，根據(jù)生產(chǎn)線集成制造商提供的數(shù)據(jù)采集接口，可以將采集設(shè)備分為數(shù)字化工位、數(shù)字化設(shè)備和數(shù)字化工裝三大類，每一類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集字段如表1。

通過對(duì)采集設(shè)備的抽象分類和對(duì)采集數(shù)據(jù)字段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率，便于采集數(shù)據(jù)的集成分析管理。另外，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口，很好地規(guī)避了因設(shè)備廠商的不同帶來的數(shù)據(jù)采集對(duì)象種類繁多、接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的現(xiàn)象，便于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的擴(kuò)展和存儲(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線由于集成制造廠商的不同，生產(chǎn)線的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，因此，搭建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。本文研究采用了NAT技術(shù)，即網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同IP段的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，NAT作為一種實(shí)用的技術(shù)，有多種不同的實(shí)現(xiàn)方法，主要包括：（1）作為一臺(tái)獨(dú)立的NAT設(shè)備；（2）作為防火墻的一個(gè)功能塊；（3）集成于操作系統(tǒng)中，通過用戶配置實(shí)現(xiàn)；（4）在邊緣路由器上實(shí)現(xiàn)。NAT包含三種類型：靜態(tài)NAT、動(dòng)態(tài)NAT、網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換NAPT，本文采用靜態(tài)NAT設(shè)置，每條生產(chǎn)線的每臺(tái)控制設(shè)備均被永久映射為采集網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)IP地址，搭建的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

2.3 數(shù)據(jù)采集軟件

本文采用的數(shù)據(jù)采集OPC服務(wù)器為Kepware Technologies公司開發(fā)的KEPServerEX，Kepware公司將多種通信協(xié)議制作成150多種驅(qū)動(dòng)插件集成安裝在KEPServerEX服務(wù)器中，供用戶選擇安裝使用，實(shí)現(xiàn)即插即用。用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的硬件設(shè)備選擇性安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，支持上千種常見工業(yè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一般OPC服務(wù)器所欠缺的通用性[4]。KepwareEX數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問技術(shù)使用戶可以采用一種服務(wù)器訪問多種現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、儀表，具有極好的通用性[5]。KEPServerEX服務(wù)器架構(gòu)如圖3所示。

圖3 KEPServerEX服務(wù)器架構(gòu)

服務(wù)器對(duì)象通過分組的方式進(jìn)行管理，一個(gè)服務(wù)器包含一個(gè)或多個(gè)組對(duì)象，同時(shí)包含自身的設(shè)置和狀態(tài)信息；組對(duì)象包含一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)對(duì)象，同時(shí)包含自身的設(shè)置和狀態(tài)信息；項(xiàng)對(duì)象是服務(wù)器與設(shè)備數(shù)據(jù)源之間的連接，由組對(duì)象管理和操作[6]。

飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集組態(tài)如圖4所示。

圖4 KEPServerEX服務(wù)器組態(tài)

2.4 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫

KEPServerEX自帶DataLogger插件，用戶可自定義數(shù)據(jù)采集的變量、采集周期，同時(shí)，該插件提供了訪問SQL數(shù)據(jù)庫的接口，可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)批量寫入數(shù)據(jù)庫，KEPServerEX數(shù)據(jù)采集和記錄示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集示意圖

根據(jù)本文2.1對(duì)采集設(shè)備的分類，分別采用3個(gè)記錄模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容包括字段名稱、字段值、字段編號(hào)、時(shí)間戳和字段質(zhì)量等。同時(shí)增加一個(gè)專用的數(shù)據(jù)記錄模塊，用于記錄數(shù)據(jù)，記錄模塊狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集通道狀態(tài)、設(shè)備連接狀態(tài)和數(shù)據(jù)讀寫統(tǒng)計(jì)狀態(tài)等信息。啟用數(shù)據(jù)記錄模塊后，采集數(shù)據(jù)將按照數(shù)據(jù)記錄模塊的觸發(fā)周期，自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自定義歸檔，便于上位系統(tǒng)的讀取和分析統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)論

（1）本文針對(duì)多條飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線，對(duì)多種不同的控制設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一分類并制定了數(shù)據(jù)采集接口標(biāo)準(zhǔn)。

（2）基于網(wǎng)關(guān)和NAT技術(shù)搭建了數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

（3）使用成熟的商業(yè)OPC服務(wù)器KEPServerEX，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集。

（4）將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，為設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及統(tǒng)一集成管理提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。

（5）該套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于飛機(jī)自動(dòng)化裝配現(xiàn)場(chǎng)，為飛機(jī)的自動(dòng)化裝配提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持。

（6）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)，成功地搭建了飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線的SCADA系統(tǒng)。