禹鑫燚 唐權(quán)瑞 施甜峰 殷慧武 歐林林

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州310023)

0 引言

無(wú)論是中國(guó)提出的“中國(guó)制造2025”,還是德國(guó)提出的“工業(yè)4.0”,核心都是實(shí)現(xiàn)制造智能化[1]。隨著工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程不斷推進(jìn),工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已成為新一代信息技術(shù)的重要組成部分[2-3]。工業(yè)網(wǎng)關(guān)是一種支持不同協(xié)議之間互相轉(zhuǎn)換的設(shè)備,從而使不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間可以互聯(lián)互通,作為上位機(jī)和下位機(jī)的協(xié)議轉(zhuǎn)換站,工業(yè)網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳輸給上位機(jī)。

國(guó)外對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)的研究起步較早,文獻(xiàn)[4]利用OPC UA 的信息模型和能源相關(guān)的CPS 需求,對(duì)能量流進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估。文獻(xiàn)[5]介紹了OPC UA服務(wù)器的一般啟動(dòng)過(guò)程,地址空間的生成步驟,生成對(duì)象、變量、方法和視圖節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的專(zhuān)門(mén)算法。文獻(xiàn)[6]提出了Web 平臺(tái)的定義,通過(guò)該平臺(tái)的REST 架構(gòu)可以對(duì)OPC UA服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)。而隨著國(guó)內(nèi)“智能制造”的提出,部分高校對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了深入研究,一些物聯(lián)網(wǎng)廠商也研發(fā)了多款工業(yè)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品,例如研華AdvanTech ADAM6000 系列[7]。文獻(xiàn)[8]針對(duì)現(xiàn)行的兩線制通信的缺陷,將下層多個(gè)儀表的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯聚,網(wǎng)關(guān)和儀表之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線與ZigBee 技術(shù)的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)裝置,該裝置實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[10]研究了無(wú)線接入網(wǎng)關(guān)裝置,并構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冷軋連退線重要設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于工業(yè)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)[12]實(shí)現(xiàn)了將RTEX 網(wǎng)絡(luò)嵌入到EtherMAC 總線中,并能對(duì)其進(jìn)行靈活的應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]具體分析了UA 的核心功能,包括地址空間技術(shù)和數(shù)據(jù)編碼技術(shù),并在兩者的基礎(chǔ)上,利用消息代理機(jī)制,完成了發(fā)布者和訂閱者的功能開(kāi)發(fā)。文獻(xiàn)[14]介紹了面向工業(yè)智能設(shè)備的嵌入式Web網(wǎng)關(guān)的安全性解決方案,對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的安全需求進(jìn)行了分析。

從目前的研究成果來(lái)看,市場(chǎng)上的工業(yè)網(wǎng)關(guān)功能參差不齊,系統(tǒng)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,并且由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的封閉性,維護(hù)人員無(wú)法遠(yuǎn)程獲取設(shè)備的相關(guān)信息,使設(shè)備維護(hù)成本增加,也缺少設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)的功能。因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程獲取設(shè)備信息非常重要。

針對(duì)目前不同品牌型號(hào)設(shè)備協(xié)議不一致和設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)成本高等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了OPC UA 協(xié)議工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),工業(yè)網(wǎng)關(guān)可以將不同品牌不同型號(hào)的設(shè)備通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接,然后根據(jù)配置文件動(dòng)態(tài)采集所需數(shù)據(jù),并通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到云端保存,供監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程控制等操作。為此本文開(kāi)發(fā)了基于瀏覽器/服務(wù)器(browser/server,B/S)和服務(wù)器/客戶機(jī)(client/server,C/S)結(jié)構(gòu)的工業(yè)監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,開(kāi)發(fā)基于.NET Core框架的OPC UA服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,在Web 網(wǎng)頁(yè)端對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù),最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于OPC UA 協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文主要對(duì)工廠設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析等操作,設(shè)計(jì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng),以解決設(shè)備協(xié)議不統(tǒng)一、設(shè)備無(wú)法上云等問(wèn)題。該工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能:(1)兼容TCP/IP、OPC UA 和消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport,MQTT)等,并根據(jù)配置文件對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù);(2)通過(guò)簡(jiǎn)單的初始化設(shè)置,遠(yuǎn)程啟動(dòng)工業(yè)網(wǎng)關(guān)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;(3)OPC UA 客戶端和工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)分別基于C/S 結(jié)構(gòu)和B/S 結(jié)構(gòu)查看設(shè)備在線情況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行日志和歷史數(shù)據(jù);(4)云端服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。

為了解決工業(yè)數(shù)據(jù)集成不足、工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)困難和平臺(tái)應(yīng)用相對(duì)單一等問(wèn)題,本文基于數(shù)據(jù)采集的經(jīng)典設(shè)計(jì)思想,進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行了工業(yè)網(wǎng)關(guān)的選型和工業(yè)網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)構(gòu)建等操作,軟件部分設(shè)計(jì)了OPC UA 協(xié)議服務(wù)器、OPC UA 客戶端、配置界面和工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)。

服務(wù)器采用.NET Core 3.1 和Win 64 作為開(kāi)發(fā)框架,因此不受操作系統(tǒng)的限制,可以跨平臺(tái)運(yùn)行,提升系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。使用OPC UA 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,能夠降低工廠采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度;采用Open VPN 接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò),可以保證遠(yuǎn)程訪問(wèn)安全;為了對(duì)工廠數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù),使用Spark 技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)推送給工程師。針對(duì)不同的工作用途,設(shè)計(jì)了B/S 和C/S 結(jié)構(gòu)的客戶端。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示,工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備和工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)的連接器,向下與設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng),向上給工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù);工業(yè)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過(guò)存儲(chǔ)到Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)供Web 瀏覽器進(jìn)行查詢并顯示,與客戶端通過(guò)Socket 通信傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件部分主要將各種設(shè)備和工業(yè)網(wǎng)關(guān)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接,并使其所有設(shè)備位于同一網(wǎng)段中,遠(yuǎn)程配置界面動(dòng)態(tài)生成工業(yè)網(wǎng)關(guān)配置文件,配置完成后將XML 配置文件發(fā)布到Zoo-Keeper服務(wù)的node 節(jié)點(diǎn),待工業(yè)網(wǎng)關(guān)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)進(jìn)行熱更新配置文件,并進(jìn)行初始化和啟動(dòng)系統(tǒng)。

工業(yè)網(wǎng)關(guān)選用飛凌嵌入式FET335xS 核心板。FET335xS 核心板基于TI 公司Sitara 系列的工業(yè)級(jí)ARM 處理器AM3354 設(shè)計(jì)完成,ARM Cortex-A8 架構(gòu),運(yùn)行頻率為800 MHz。板載512 MB 的DDR3 內(nèi)存,采用256 MB 的SLCNandFlash 存儲(chǔ)芯片。工業(yè)網(wǎng)關(guān)相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集具有體積小、無(wú)需布線安裝便捷、能適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境和有效降低運(yùn)維成本等優(yōu)勢(shì)。在圖2 中,所有PLC 設(shè)備和嵌入式設(shè)備經(jīng)過(guò)交換機(jī)以工業(yè)以太網(wǎng)的方式進(jìn)行連接。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

為了使OPC UA服務(wù)器在Linux-ARM 系統(tǒng)中正常運(yùn)行,需要對(duì)工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)移植,分別進(jìn)行bootloader 的裁剪與移植、根文件系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的移植,并成功燒寫(xiě)到搭建好的工業(yè)網(wǎng)關(guān)平臺(tái)中。bootloader 移植主要是為了引導(dǎo)內(nèi)核可以正常的運(yùn)行,為L(zhǎng)inux-ARM 操作系統(tǒng)的運(yùn)行做準(zhǔn)備;內(nèi)核移植主要是提供對(duì)外的接口方便擴(kuò)展,如SD 卡、串口、以太網(wǎng)和4G 等接口;根文件系統(tǒng)主要將磁盤(pán)或Flash 等存儲(chǔ)設(shè)備劃分為若干個(gè)分區(qū),在不同的分區(qū)存放不同類(lèi)型的文件。

1.2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)了OPC UA服務(wù)器、配置界面、OPC UA 客戶端和基于Vue 的工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)。OPC UA服務(wù)端和OPC UA 客戶端之間通過(guò)請(qǐng)求響應(yīng)進(jìn)行通訊,在服務(wù)器配置界面完成配置文件后,將生成的XML 文件上傳到ZooKeeper 中,服務(wù)器獲取ZooKeeper服務(wù)node 節(jié)點(diǎn)下的配置文件并設(shè)置監(jiān)聽(tīng),當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)進(jìn)行熱更新。軟件系統(tǒng)總體框架如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)構(gòu)架

2 基于OPC UA 協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 基于.NET Core 的OPC UA服務(wù)器設(shè)計(jì)

目前在工廠中還有一部分老舊設(shè)備不支持OPC UA 功能,傳統(tǒng)方法是為每個(gè)設(shè)備單獨(dú)寫(xiě)一個(gè)數(shù)據(jù)采集程序。在實(shí)際過(guò)程中,由于工廠存在很多品牌和型號(hào)的設(shè)備,導(dǎo)致工作量巨大,增加開(kāi)發(fā)難度。并且如果在開(kāi)發(fā)的時(shí)候重新為每個(gè)設(shè)備開(kāi)發(fā)新的設(shè)備驅(qū)動(dòng),也可能出現(xiàn)新的兼容性問(wèn)題。

為了解決這些問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了基于.NET Core架構(gòu)的OPC UA 協(xié)議服務(wù)器,該OPC UA 協(xié)議服務(wù)器需要滿足協(xié)議轉(zhuǎn)換和兼容廠商提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能。為了能夠兼容不同設(shè)備提供的驅(qū)動(dòng),同時(shí)兼容自己開(kāi)發(fā)的設(shè)備驅(qū)動(dòng),本文設(shè)計(jì)了公共設(shè)備讀寫(xiě)接口,在開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí),只需要將對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)繼承公共接口,然后重寫(xiě)接口,就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)上述功能需求,本文設(shè)計(jì)的OPC UA服務(wù)器具有5 大模塊,分別是協(xié)議解析模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)持久化、配置文件更新和簽名證書(shū)安全機(jī)制,服務(wù)器各模塊如圖4 所示。

圖4 OPC UA服務(wù)器模塊圖

配置文件更新:在OPC UA服務(wù)器啟動(dòng)后,首先獲取ZooKeeper 的node 節(jié)點(diǎn)下的配置文件并設(shè)置監(jiān)聽(tīng),如果節(jié)點(diǎn)下數(shù)據(jù)發(fā)生變化則通知OPC UA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)熱更新。

數(shù)據(jù)采集:配置文件解析完成后,根據(jù)設(shè)備的型號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng),并根據(jù)數(shù)據(jù)請(qǐng)求器和規(guī)則解析器的解析結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)持久化:為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,將已經(jīng)采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。將實(shí)時(shí)讀取的數(shù)據(jù)存入Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)中,定時(shí)將Redis 數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中,作持久化處理。將數(shù)據(jù)按照指定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)并借助優(yōu)秀的讀寫(xiě)性能來(lái)提高數(shù)據(jù)的檢索效率。

簽名證書(shū)安全機(jī)制:該服務(wù)器采用X.509 證書(shū),對(duì)用戶名/密碼進(jìn)行身份認(rèn)證,提供了數(shù)字簽名、加密傳輸以及級(jí)別驗(yàn)證,以防止非授權(quán)的用戶訪問(wèn),防止蓄意破壞和修改過(guò)程數(shù)據(jù)。

協(xié)議解析:使用協(xié)議解析器將其他協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OPC UA 協(xié)議的數(shù)據(jù),根據(jù)XML 配置文件進(jìn)行解析,解析后的信息交給數(shù)據(jù)采集部分。

2.2 基于ZooKeeper 分布式集群的配置界面設(shè)計(jì)

分布式集群ZooKeeper 主要為了在配置界面完成文件配置后,將生成的XML 文件上傳到ZooKeeper 中。在服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)向ZooKeeper 發(fā)送請(qǐng)求,自動(dòng)更新配置文件即可,這樣可以減少系統(tǒng)擁堵,也可以保障服務(wù)器讀取XML 文件的快速高效。

配置界面主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)配置器、解析規(guī)則配置器和登錄方式選擇進(jìn)行初始化配置,配置完成后發(fā)布到ZooKeeper 中。具體如圖5 所示。

圖5 配置文件界面

配置界面完成配置后,先將生成的XML 配置文件發(fā)布到ZooKeeper服務(wù)的node 節(jié)點(diǎn)下,同時(shí)將配置文件保存在DB 塊中,OPC UA服務(wù)器從ZooKeeper 中讀取配置并監(jiān)聽(tīng)配置的變化,實(shí)時(shí)傳輸?shù)絆PC UA服務(wù)器中,實(shí)現(xiàn)配置文件更改后,OPC UA服務(wù)器無(wú)需重啟,即可自動(dòng)進(jìn)行熱更新。

3 基于OPC UA 協(xié)議的客戶端設(shè)計(jì)

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同,本文設(shè)計(jì)了客戶端和瀏覽器端,由于客戶端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更好、安全性能更強(qiáng),適用于在工廠本地使用;而瀏覽器操作方便,可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工廠數(shù)據(jù),更適合于在外監(jiān)控工廠數(shù)據(jù)。

3.1 基于Winform 的客戶端設(shè)計(jì)

OPC UA 客戶端通過(guò)和服務(wù)器建立連接,進(jìn)行瀏覽和操作OPC UA服務(wù)器的地址空間等。OPC UA 客戶端界面是基于C#語(yǔ)言自主開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)中間件軟件,它是對(duì)現(xiàn)成的OPC UA Client SDK 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)而成。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求,將OPC UA 客戶端設(shè)計(jì)成4 個(gè)模塊,包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示、AE 通知報(bào)警和日志查詢、設(shè)備在線狀態(tài)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示:通過(guò)和服務(wù)器進(jìn)行Socket 連接,連接成功后,向服務(wù)器發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的指令,接收到指令后,顯示在客戶端界面上。

歷史數(shù)據(jù)顯示:負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)在磁盤(pán)文件中的存儲(chǔ)、壓縮、讀取、訪問(wèn)。從MySQL 中根據(jù)日期區(qū)間以及設(shè)備節(jié)點(diǎn)名稱查詢?cè)撛O(shè)備在日期區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。為了方便使用者配置查詢信息,歷史數(shù)據(jù)查詢模塊提供了向?qū)Чδ堋?/p>

AE 通知報(bào)警和日志查詢:負(fù)責(zé)報(bào)警的條件判斷、報(bào)警存儲(chǔ)、報(bào)警通知,并實(shí)施包括報(bào)警的分組、過(guò)濾等功能。

設(shè)備在線狀態(tài):在服務(wù)器中,定義一個(gè)TypeName函數(shù),TypeName 函數(shù)獲取的標(biāo)識(shí)碼是唯一的標(biāo)識(shí)碼,該標(biāo)識(shí)碼通過(guò)MD5 算法生成,各個(gè)設(shè)備不會(huì)重復(fù),在異型客戶端訪問(wèn)設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)可直接通過(guò)該標(biāo)識(shí)碼定位到該設(shè)備的數(shù)據(jù)。設(shè)備啟動(dòng)后TypeName的值為1,設(shè)備離線時(shí)TypeName 的值為0,客戶端通過(guò)查詢對(duì)應(yīng)的值來(lái)判斷設(shè)備在線情況。

OPC UA 客戶端界面如圖6 所示。

圖6 OPC UA 客戶端界面

3.2 工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

為滿足工廠人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠設(shè)備數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)(圖7)。通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作放在云端服務(wù)器上,有效地降低高速計(jì)算給工業(yè)網(wǎng)關(guān)帶來(lái)的負(fù)擔(dān),Web 端實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁(yè)上,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障需要遠(yuǎn)程運(yùn)維時(shí),現(xiàn)場(chǎng)工程師給定權(quán)限后專(zhuān)業(yè)工程師可以遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。本文還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)分析模塊,該模塊可以直接使用本模塊默認(rèn)的預(yù)測(cè)分析模型,也可以上傳自己訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)分析模型,對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。

圖7 工業(yè)監(jiān)控平臺(tái)界面圖

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法維修時(shí),可通過(guò)Open VPN 軟件,遠(yuǎn)程接入工廠局域網(wǎng),通過(guò)工業(yè)監(jiān)控平臺(tái),遠(yuǎn)程對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制,直至設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)部分

本文基于所設(shè)計(jì)的工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)搭建了工業(yè)網(wǎng)關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括1 臺(tái)西門(mén)子S7-1200 PLC 設(shè)備、1 臺(tái)UR5 機(jī)器人、1 臺(tái)飛凌嵌入式FET335xS核心板(Linux-ARM 系統(tǒng))、1 個(gè)路由器,以及1 個(gè)筆記本電腦和若干根網(wǎng)線,如圖8 所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先給個(gè)人計(jì)算機(jī)(personal computer,PC)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)設(shè)備、UR5 機(jī)器人分配相應(yīng)的IP 地址,使3 個(gè)設(shè)備位于同一網(wǎng)段;接著通過(guò)博途軟件和機(jī)器人示教盒分別載入PLC 梯形圖程序以及機(jī)器人程序,并啟動(dòng)PLC 和機(jī)器人。準(zhǔn)備工作完成后,打開(kāi)配置界面對(duì)服務(wù)器進(jìn)行初始化設(shè)置,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(a)所示。配置完成后,將生成的XML 配置文件上傳到ZooKeeper服務(wù)的node 節(jié)點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(b)所示。遠(yuǎn)程啟動(dòng)OPC UA服務(wù)器,服務(wù)器先訪問(wèn)Zoo-Keeper服務(wù)器并訂閱node 節(jié)點(diǎn),然后進(jìn)行配置文件熱更新,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9(c)所示。接著對(duì)配置文件進(jìn)行解析,解析完成后,根據(jù)配置文件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖9 OPC UA服務(wù)器準(zhǔn)備界面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

客戶端通過(guò)輸入服務(wù)器的URL 與服務(wù)器建立連接,并通過(guò)調(diào)用服務(wù)器的Browse服務(wù)來(lái)獲得OPC UA服務(wù)器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)信息,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10(a)所示。然后調(diào)用服務(wù)器的Read服務(wù)讀取設(shè)備節(jié)點(diǎn)的參數(shù)信息,來(lái)獲取綁定的節(jié)點(diǎn)信息的value值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10(b)所示。Web 端網(wǎng)頁(yè)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢,獲取設(shè)備的數(shù)據(jù)信息,并將數(shù)據(jù)信息顯示在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10(c)所示。

圖10 OPC UA 客戶端實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢測(cè)工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的性能,對(duì)服務(wù)器的功能進(jìn)行性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),且有多個(gè)客戶端同時(shí)訪問(wèn)服務(wù)器,進(jìn)行并發(fā)寫(xiě)入操作。測(cè)試結(jié)果如下:本工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以同時(shí)支持最大并發(fā)客戶端用戶為50 個(gè),服務(wù)器支持Linux 和Windows 操作系統(tǒng)運(yùn)行,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)最多存儲(chǔ)50 萬(wàn)組數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入時(shí)間不超過(guò)0.1 s,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在Web 網(wǎng)頁(yè)上的時(shí)間不超過(guò)0.5 s。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可知,該工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)滿足跨平臺(tái)需求,一套源碼可以在多個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)配置后可以使用OPC UA 協(xié)議對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以對(duì)PLC 設(shè)備和UR5 等設(shè)備進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集,并且可以通過(guò)客戶端和Web 網(wǎng)頁(yè)端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),表明本系統(tǒng)可以滿足小型工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OPC UA 協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)PLC、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等不同設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。使用OPC UA 協(xié)議能為不具備OPC UA 功能的設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集的功能,使用配置文件對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集能夠提高程序的靈活性,避免了程序的反復(fù)修改。通過(guò)ZooKeeper 分布式集群對(duì)配置文件進(jìn)行高效管理,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份,從而提升了系統(tǒng)的可靠性?；?NET Core 框架編寫(xiě)OPC UA服務(wù)器,使服務(wù)器可以跨平臺(tái)運(yùn)行,提高系統(tǒng)性能。此外,工業(yè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還提供了驅(qū)動(dòng)模板,為后續(xù)服務(wù)器中添加新類(lèi)型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供方便,同時(shí)驅(qū)動(dòng)模板的存在使得驅(qū)動(dòng)加載器能更高效地工作,無(wú)縫地接入到系統(tǒng)中。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好,為工廠的數(shù)字化升級(jí)提供了一種新的思路。