王小友，廖映華，王華，張宇航

(四川輕化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓 644000)

0 前言

擠出成型是塑料加工最主要的形式之一，可以通過更換不同的成型模具和輔機(jī)實現(xiàn)薄膜、片材、管材、異型材等不同類型塑料制品的連續(xù)化生產(chǎn)，適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料，50%的塑料制品是通過擠出成型完成的[1]。目前，國內(nèi)外大多數(shù)塑料擠出加工車間設(shè)備多元化，各裝備的數(shù)據(jù)通信協(xié)議不一致，車間子系統(tǒng)分散，控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異較大[2]，導(dǎo)致現(xiàn)有的絕大多數(shù)擠出生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集仍停留在設(shè)備層的單一數(shù)據(jù)監(jiān)控，對車間上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的監(jiān)控管理難以提供有效的數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程監(jiān)控、設(shè)備管理維護(hù)模式嚴(yán)重阻礙了我國塑料加工車間信息化、集成化發(fā)展，難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對數(shù)據(jù)共享的需求[3]。為了提升擠出制品的質(zhì)量與生產(chǎn)效率，塑料制品生產(chǎn)企業(yè)對生產(chǎn)過程中擠出裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控需求日益強(qiáng)烈，塑料成型裝備也向著高效智能化發(fā)展[4]。為此需要新一代技術(shù)框架來滿足互聯(lián)互通互操作、信息集成等要求。為了順應(yīng)企業(yè)和用戶需要，OPC基金會推出OPC統(tǒng)一架構(gòu)，即OPC UA，它為品牌、型號各異的設(shè)備提供一種簡單且統(tǒng)一的接口，保證設(shè)備間能夠交互通信，主要用于解決當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域中存在的兼容性、開放性、通用性等難題，對于設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控簡單可靠[5]。以傳統(tǒng)擠出生產(chǎn)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型為載體，以擠出機(jī)生產(chǎn)線為研究對象，提出一種基于OPC UA的擠出生產(chǎn)線組成設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集和集中監(jiān)控方案，實現(xiàn)對不同擠出生產(chǎn)線生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實時采集和集中監(jiān)控。這些研究有助于提高車間設(shè)備的生產(chǎn)效率和信息化水平，對實現(xiàn)向數(shù)字化車間轉(zhuǎn)型具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

面對目前傳統(tǒng)擠出加工車間監(jiān)控系統(tǒng)存在的諸多問題，企業(yè)迫切需要一種面向生產(chǎn)車間多源異構(gòu)設(shè)備特點的數(shù)據(jù)通信模式和監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息集成和設(shè)備互聯(lián)互通，提升車間生產(chǎn)線的監(jiān)控管理水平，提高車間生產(chǎn)效益和企業(yè)競爭力。為此，將OPC UA應(yīng)用于擠出加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)中，通過對車間生產(chǎn)線組成進(jìn)行分析，借鑒國內(nèi)外機(jī)械制造加工車間監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)研究，歸納出基于OPC UA的擠出加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的總體需求如下：

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。車間生產(chǎn)線自動化設(shè)備作業(yè)方式往往比較單一，不同程度形成信息孤立點，需要把分布在生產(chǎn)線的各種數(shù)據(jù)信息連接并集中到一起，防止“信息孤島”產(chǎn)生，從而使設(shè)備與設(shè)備之間實現(xiàn)信息共享，協(xié)同生產(chǎn)[6]。

(2)數(shù)據(jù)通信統(tǒng)一化。生產(chǎn)線自動化設(shè)備數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議各種各樣，難以用統(tǒng)一的方式采集數(shù)據(jù)，使得設(shè)備兼容性和數(shù)據(jù)通信得不到保證。系統(tǒng)需要解決不同設(shè)備數(shù)據(jù)通信兼容性問題，提供一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)，降低訪問數(shù)據(jù)過程的復(fù)雜程度。

(3)應(yīng)用系統(tǒng)信息集成。傳統(tǒng)擠出加工車間在往數(shù)字化、信息化車間轉(zhuǎn)型升級時會根據(jù)自身情況實施企業(yè)級信息管理系統(tǒng)，如MES、ERP等，但由于難以實現(xiàn)對車間多種異構(gòu)數(shù)據(jù)的集中處理，造成設(shè)備層與企業(yè)信息管理系統(tǒng)之間溝通受阻，上層指定的生產(chǎn)管理計劃難以落實到生產(chǎn)線中。因此，系統(tǒng)應(yīng)具備與上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)集成的能力，為上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供全面有效的數(shù)據(jù)支持[7]。

(4)可拓展、可通用。在引進(jìn)新設(shè)備、改造舊設(shè)備時，監(jiān)控系統(tǒng)需要良好的拓展性和通用性，只需對系統(tǒng)稍加改動便能兼容其他各種類型和型號的設(shè)備，實現(xiàn)對新環(huán)境的監(jiān)測管理[8]。

(5)數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測。擠出加工生產(chǎn)線制造信息傳輸滯后、數(shù)據(jù)不完備，造成設(shè)備利用率低，難以對車間進(jìn)行有效的管理[9]。有必要建立數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的擠出加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對車間生產(chǎn)線實時數(shù)據(jù)的可視化、透明化監(jiān)控。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，結(jié)合OPC UA技術(shù)規(guī)范，將整體系統(tǒng)劃分為4個層次，分別為物理層、服務(wù)層、信息層和應(yīng)用層。總體框架如圖1所示，具體如下所述：

圖1 系統(tǒng)總體框架

物理層主要包括不同類型的擠出機(jī)、輔助系統(tǒng)、冷卻加熱系統(tǒng)，需要集中監(jiān)控的主要有主電機(jī)和喂料電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動變頻器、傳感器、各類儀表等，設(shè)備控制系統(tǒng)類型有西門子、三菱、歐姆龍等，各類設(shè)備通過以太網(wǎng)接口與車間局域網(wǎng)連接。

服務(wù)層主要搭建OPC UA服務(wù)器，是數(shù)據(jù)采集模塊，負(fù)責(zé)將底層設(shè)備生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集并描述為含有OPC UA格式的語義信息源模型，然后映射到OPC UA服務(wù)器地址空間節(jié)點中，將不同控制系統(tǒng)專有的協(xié)議轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的OPCUA的協(xié)議，并為上層預(yù)留一致性的訪問接口。

信息層主要通過OPC UA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開發(fā)OPC UA客戶端對接OPC UA服務(wù)器，通過服務(wù)器訪問接口獲取地址空間生產(chǎn)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分析處理，連接數(shù)據(jù)庫存儲歷史數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)的其他功能提供數(shù)據(jù)支持。

應(yīng)用層是數(shù)據(jù)的最終展現(xiàn)形式，通過其他3個層次的服務(wù)與支持，為應(yīng)用層系統(tǒng)各個功能模塊提供直觀的信息顯示，并對管理人員的操作進(jìn)行響應(yīng)。

1.3 系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

分析智能制造系統(tǒng)功能和組織架構(gòu)是建立制造加工車間系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合系統(tǒng)功能需求和數(shù)字化車間層次結(jié)構(gòu)，提出擠出加工車間數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)，如圖2所示。

生產(chǎn)車間底層設(shè)備均有以太網(wǎng)接口，對于未擁有上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備使用現(xiàn)場總線實現(xiàn)內(nèi)部組網(wǎng)并連接控制器，然后與具備上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)與總OPC UA服務(wù)器連接。OPC UA服務(wù)器將數(shù)據(jù)匯總后為客戶端提供實時的數(shù)據(jù)支持并保存到數(shù)據(jù)庫中。另外，車間層需要通過局域網(wǎng)連接到企業(yè)服務(wù)器，實現(xiàn)上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的交互應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接架構(gòu)

2 OPC UA服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 OPC UA服務(wù)器地址空間信息模型

信息模型是統(tǒng)一底層數(shù)據(jù)信息接口和實現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的核心基礎(chǔ)。對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，設(shè)備的互聯(lián)互通和設(shè)備內(nèi)部信息的標(biāo)準(zhǔn)化是衡量系統(tǒng)功能好壞的重要指標(biāo)之一，只有良好的設(shè)備互聯(lián)和規(guī)范統(tǒng)一底層數(shù)據(jù)格式才便于數(shù)據(jù)表達(dá)、傳輸和共享[10]。

通過對生產(chǎn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，運(yùn)用面向?qū)ο蟮姆椒?gòu)建OPC UA服務(wù)器地址空間數(shù)據(jù)模型[11]，結(jié)合OPC UA地址空間模型規(guī)范，將各種類型數(shù)據(jù)映射到OPC UA服務(wù)器地址空間，客戶端通過地址空間統(tǒng)一訪問服務(wù)器節(jié)點信息，便于OPC UA客戶端獲取、分析和處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)。圖3所示為OPC UA服務(wù)器地址空間中擠出車間生產(chǎn)線數(shù)據(jù)模型。

基于用戶著重關(guān)注的信息和監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求，結(jié)合生產(chǎn)線各組成設(shè)備主要功能，將擠出加工生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，主要對擠出生產(chǎn)線組成設(shè)備加工過程涉及到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行信息建模。在擠出生產(chǎn)過程中，涉及到的關(guān)鍵參數(shù)主要為主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的控制器信息(如電源狀態(tài)、執(zhí)行模式等)、擠壓系統(tǒng)的螺桿信息(如螺桿轉(zhuǎn)速、啟/停等)、物料系統(tǒng)中上料信息(如吸料時間、物料狀態(tài)等)、加熱冷卻裝置傳感器信息(如傳感器狀態(tài)、傳感器值等)、輔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中冷卻定型裝置的水泵和風(fēng)機(jī)信息(如水泵啟停、風(fēng)機(jī)開關(guān)等)、牽引切割裝置中電機(jī)信息(如牽引速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等)。

圖3 擠出加工車間服務(wù)器地址空間模型

2.2 KEPServerEX服務(wù)器設(shè)計

本地監(jiān)控服務(wù)器為整個系統(tǒng)的核心部分，OPC UA服務(wù)器主要用于實現(xiàn)對底層設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和封裝，使得一個或多個客戶端可以用一個統(tǒng)一的方式獲取不同底層設(shè)備的數(shù)據(jù)。本文作者以KEPServerEX作為OPC UA服務(wù)器進(jìn)行搭建與環(huán)境配置。該軟件提供了160多種設(shè)備驅(qū)動程序，兼容300多種工業(yè)協(xié)議，擁有多種高級插件，可以有效地與成千上萬種設(shè)備進(jìn)行連接通信，并且通過一致性的服務(wù)器訪問接口將工業(yè)數(shù)據(jù)通過OPC UA協(xié)議與OPC UA客戶端通信[12-13]。利用KEPServerEX搭建OPC UA服務(wù)器，其核心在于創(chuàng)建OPC服務(wù)器的服務(wù)器對象(Server)、組對象(Group)、項對象(Item)。一個服務(wù)器對象可以包含多個組，一個組對象可以包含多個項。項是整個通信過程的基本單位，其作用是維護(hù)OPC UA服務(wù)器中與數(shù)據(jù)有關(guān)的信息；組則作為設(shè)備的基本單位，提供包容和組織OPC項對象的機(jī)制[14]。搭建OPC UA服務(wù)器的具體流程如圖4所示。

圖4 KEPServerEX服務(wù)器搭建流程

在整個擠出加工車間監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，采用KEPSereverEX作為本地監(jiān)控系統(tǒng)的OPC UA服務(wù)器需對加工車間的不同種類設(shè)備進(jìn)行分類，確定底層設(shè)備與KEPServerEX服務(wù)器所需的通道類型、連接方式、設(shè)備屬性配置等信息。結(jié)合OPC UA服務(wù)器地址空間中的設(shè)備數(shù)據(jù)模型，創(chuàng)建服務(wù)器所需采集的數(shù)據(jù)變量，需要給每一個數(shù)據(jù)變量配置唯一的地址和讀寫操作，地址和變量的類型與下位機(jī)PLC中寄存器的數(shù)據(jù)對應(yīng)。如地址“DB1.l14，Short”，其中DB1代表PLC中的數(shù)據(jù)塊，l14代表數(shù)據(jù)地址偏移量，而Short則是該數(shù)據(jù)的類型。擠出生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)KEPServerEX服務(wù)器采集變量組態(tài)界面如圖5所示。

圖5 KEPServerEX服務(wù)器組態(tài)界面

3 OPC UA客戶端與服務(wù)器的交互

OPC UA與傳統(tǒng)的OPC都是使用簡單的C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)，OPC基金會提供了工業(yè)自動化互操作性數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并提出了OPC UA應(yīng)用程序開發(fā)框架[15]。UA客戶端與UA服務(wù)器信息交互的架構(gòu)如圖6所示，可知客戶端和服務(wù)器使用API交換信息。信息交換方式有兩種：第一種是客戶端發(fā)送服務(wù)器請求，UA通信棧將其轉(zhuǎn)化為請求消息后發(fā)送到UA服務(wù)器通信棧，服務(wù)器API調(diào)用對應(yīng)的響應(yīng)服務(wù)指定地址空間對應(yīng)節(jié)點，完成響應(yīng)任務(wù)后返回一個響應(yīng)消息；第二種是客戶端發(fā)布請求產(chǎn)生會話發(fā)布列隊，服務(wù)器通過設(shè)置監(jiān)視項，監(jiān)視項對會話列隊進(jìn)行訂閱監(jiān)視，指明要監(jiān)控的項目，處理完成后由訂閱發(fā)送通知報告給客戶端。

基于OPC UA的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)主要目的是將底層不同類型設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集到OPC UA實現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，可以達(dá)到一個OPC UA客戶端集中監(jiān)控多種工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲到數(shù)據(jù)庫中，有利于工業(yè)設(shè)備有效監(jiān)測和設(shè)備故障預(yù)測分析。為此，基于客戶端與服務(wù)器的交互框架開發(fā)OPC UA客戶端，利用OPC UA基金會所提供的SDK，采用C#語言開發(fā)基于.net framework框架的OPC UA客戶端，其內(nèi)部實現(xiàn)流程如圖7所示。主要功能是實現(xiàn)客戶端API與服務(wù)器訪問與測試功能，在程序中開發(fā)的OPC UA客戶端功能主要包括刷新本地已注冊的OPC UA服務(wù)器、連接服務(wù)器、瀏覽服務(wù)器地址空間、節(jié)點數(shù)據(jù)的訂閱、讀寫信息節(jié)點屬性、實時數(shù)據(jù)曲線圖顯示、對接MySQL數(shù)據(jù)庫。

圖6 客戶端與服務(wù)器交互架構(gòu)

圖7 OPC UA客戶端訪問流程

在擠出加工車間中擠出生產(chǎn)線通常由輔機(jī)系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)組成，由于兩種系統(tǒng)來自不同的廠商，導(dǎo)致與外部系統(tǒng)通信協(xié)議不一致。以管路擠出生產(chǎn)線為例，主機(jī)系統(tǒng)采用Siemens TCP/IP Ethernet協(xié)議，輔機(jī)系統(tǒng)采用Modbus TCP/IP Ethernet協(xié)議與外部進(jìn)行通信。要想使兩種系統(tǒng)不同的數(shù)據(jù)格式以一種統(tǒng)一的接口方式采集到上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)，首先要將兩種不同的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動配置到本地的OPC UA服務(wù)器系統(tǒng)中，底層設(shè)備需要設(shè)置IP地址和端口號。主機(jī)系統(tǒng)控制器的IP地址為192.168.1.100，輔機(jī)系統(tǒng)控制器IP地址為192.168.1.10，端口號為502，然后配置需要采集的設(shè)備數(shù)據(jù)節(jié)點相關(guān)信息。OPC UA服務(wù)器成功與設(shè)備建立連接后，OPC UA客戶端通過服務(wù)器的端點與OPC UA服務(wù)器建立連接。圖8所示為OPC UA客戶端與OPC UA服務(wù)器通信的結(jié)果。

圖8 OPC UA 客戶端測試結(jié)果

通過測試可知，刷新服務(wù)器后選擇本地OPC UA服務(wù)器連接，服務(wù)器地址空間欄顯示節(jié)點結(jié)構(gòu)信息，然后選擇所需要的節(jié)點信息到屬性欄顯示數(shù)據(jù)的相關(guān)屬性，可以根據(jù)需要訂閱節(jié)點數(shù)據(jù)顯示實時變化圖并將訂閱的節(jié)點數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)測驗，OPC UA客戶端能對擠出機(jī)設(shè)備傳感器溫度以及電動機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集與交互、儲存，系統(tǒng)各部分功能符合設(shè)計要求。

4 擠出車間可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場擠出車間多條自動化生產(chǎn)線實際生產(chǎn)情況，利用OPC UA服務(wù)器完成設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與匯總統(tǒng)一，OPC UA客戶端完成數(shù)據(jù)傳輸交互測試與存儲后，采用C#語言.NET Framework框架設(shè)計基于OPC UA的生產(chǎn)線可視化監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的可視化需求，結(jié)合生產(chǎn)線組成特點，將系統(tǒng)分為主機(jī)監(jiān)控和輔機(jī)監(jiān)控，主要實現(xiàn)對底層設(shè)備的基本信息、位置信息、加工狀態(tài)信息、報警信息的監(jiān)控。圖9為車間現(xiàn)場生產(chǎn)線，包括液袋擠出生產(chǎn)線、滴斗擠出生產(chǎn)線、管路擠出生產(chǎn)線等，圖10所示為管路擠出生產(chǎn)線主機(jī)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控界面。

該系統(tǒng)將水泵壓力、傳感器溫度、電機(jī)速度等現(xiàn)場重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)實時顯示出來。管理人員可以根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行集中管理，不必額外的工作人員對每臺設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管與數(shù)據(jù)記錄，提高了生產(chǎn)效率，降低了人工成本。同時可以改變生產(chǎn)工藝參數(shù)滿足生產(chǎn)需要，達(dá)到生產(chǎn)要求。系統(tǒng)還具有報警顯示功能，可根據(jù)生產(chǎn)要求設(shè)置數(shù)據(jù)報警上、下限，故障發(fā)生時及時提示操作員進(jìn)行故障排除，同時將報警信息存入歷史數(shù)據(jù)庫。

圖9 擠出車間現(xiàn)場設(shè)備

圖10 擠出生產(chǎn)線監(jiān)控界面

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)擠出加工車間設(shè)備種類繁多、數(shù)據(jù)管理方式落后等問題，提出數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)多項功能需求，設(shè)計系統(tǒng)整體技術(shù)框架及網(wǎng)絡(luò)連接方式。根據(jù)OPC UA服務(wù)器地址空間模型規(guī)范，針對多條擠出生產(chǎn)線建立設(shè)備數(shù)據(jù)交互模型，利用KEPServerEX軟件搭建OPC UA服務(wù)器完成底層不同設(shè)備協(xié)議到OPC UA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。開發(fā)OPC UA客戶端接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問和儲存，根據(jù)實際擠出加工車間設(shè)備生產(chǎn)狀況，開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)能很好地應(yīng)用經(jīng)過格式化處理的現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)，車間底層不同設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息能以標(biāo)準(zhǔn)化方式采集和統(tǒng)一監(jiān)控。