OPC技術在粗紗工序信息化系統中的應用

任瑞武，江 豪，常豪鋒，黃玉彥，王永華

（鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，鄭州 450002）

傳統的紡織生產過程主要包括清花、梳棉、精梳、并條、粗紗、細紗、絡筒等生產工序和流程。為了提高工廠生產管理效率，實現生產信息共享，提高整個企業的信息化水平，目前很多紡織企業都在進行紡織工序的信息化工程建設或改造。由于紡織企業設備眾多，型號繁雜，現場電磁環境惡劣，實現紡織設備信息化就要求底層數據采集網絡要非常的成熟和穩定，Profibus現場總線技術就以其可靠、成熟、開放的特性被廣泛應用到紡織生產過程信息化系統中[1]。

在信息化系統建設中，單機設備的控制器種類繁多，數據通信接口不同，通信標準不統一，這給設備聯網和信息集成帶來了很大的麻煩。某廠家的粗紗車控制系統開發了CAN總線協議的通信接口，給設備集成到Profibus網絡帶來了挑戰，當然解決的辦法有多種，譬如添加CAN到Profibus的網關，或者采用CAN協議的數據收發器將數據集中，再通過工業以太網及OPC技術實現數據集成。本文以粗紗工序為例，介紹OPC技術在紡織生產過程信息化系統中的應用：采用統一的通信標準，將底層的CAN總線網絡設備通過“CAN轉以太網模塊”連接到監控系統中。

1 OPC技術簡介

OPC技術基于Windows平臺以及微軟的COM/DCOM組件對象模型技術，采用客戶端/服務器結構模式，為工業應用程序之間提供高效信息集成和交互功能的接口標準[2]。它適用于過程控制應用，支持過程數據訪問、報警、事件與歷史數據訪問等功能。具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。

OPC服務器是按照OPC技術規范開發的軟件驅動，作為中間媒介負責從數據源讀取數據再與客戶端通信。OPC客戶端應用程序通過定制接口或自動化接口實現與OPC服務器互連通信，讀取OPC服務器提供的數據完成對工業生產過程的監控[3]。在本系統中，通過安裝在服務器上的OPC服務器軟件實現與底層粗紗設備控制器進行通信，讀取設備相關數據，然后監控系統通過OPC客戶端讀取OPC服務器中的數據，從而實現粗紗工序的數據集成。

2 粗紗工序信息化系統網絡架構

2.1 方案選擇

某紡織企業信息化系統建設項目中，粗紗工序有20臺粗紗車，其控制器具有CAN總線協議的通信接口，有3種方案可以實現此工序的設備聯網。

方案1每10臺設備添加一個“CAN轉以太網模塊”，通過以太網連接到監控系統中，然后采用OPC技術讀取設備數據。

方案2每2臺設備添加一個“CAN轉Profibus DP模塊”，連接到信息化系統采用的主干網絡Profibus DP上。

方案3設備先組成CAN總線網絡，然后在監控系統中添加CAN總線采集卡實現與底層設備通信。具體方案的比較如表1所示。

表1 3種通信方案的對比Tab.1 Comparison of three types of communication schemes

根據表1比較分析3種方案的實時性、經濟性、可靠性和穩定性。

（1）實時性：方案1在現有條件下即可采用10 Mb/s的通信速率，可以保證實時性；方案2和方案3為保證通信的可靠性和延長通信距離，均需要降低通信速率。

（2）經濟性：方案1相比另外兩種成本最低。

（3）可靠性：方案1因采用成熟的工業以太網技術可保證數據集成的可靠性。

（4）穩定性：方案1采用了設備廠家提供的本機OPC服務器軟件，具有很好的兼容性和穩定性。

因此通過對比分析，以經濟、便利、可靠、穩定為原則，最終確定采用方案1與粗紗控制器進行通訊，獲取生產數據。

2.2 系統架構設計

一般而言，紡織企業的大部分紡紗設備采用Profibus協議模塊實現網絡互連，然后通過工業以太網連接到工業級交換機組成的光纖環網上。本文涉及到的粗紗車采用CAN總線網絡互連，然后通過“CAN轉以太網模塊”連接到工業以太網上；OPC服務器和OPC客戶機也通過工業以太網電纜連接到工業級交換機上。實現了監控系統與底層粗紗設備的物理線路連接。具體的系統架構如圖1所示。

本架構能夠滿足實際應用需求，其主要特點：

（1）粗紗設備間互連采用標準工業級CAN總線電纜；以太網網絡選用工業級交換機、RJ45工業以太網接頭、工業級以太網電纜以及交換機組成的光纖環網，保證了物理線路的可靠性和抗干擾性。

（2）通信協議的選擇：底層設備采用單主多從的CAN總線數據交互方式[4]，更加高效和可靠；上層采用工業以太網技術，保證了系統的實時性。

圖1 OPC數據采集系統架構Fig.1 OPC data acquisition system architecture

（3）監控系統采用冗余的OPC服務器和客戶端結構，保證了系統的可靠性和穩定性。

2.3 OPC冗余系統

2.3.1 OPC冗余的必要性

工業現場有很多因素可能導致OPC服務器和客戶機工作異常，出現數據連接失敗等故障情況，如運行OPC服務器的計算機異常關機、用戶操作失誤、網絡異常等眾多因素，嚴重威脅系統的穩定運行。因此，為提高系統的可靠性，增強數據采集的穩定性，需要采用冗余的OPC服務器和客戶機。

2.3.2 冗余系統實現機理

采用兩臺OPC服務器定時分別向兩臺OPC客戶機發送通信狀態字、運行狀態字和設備連接狀態字等狀態信息[5]，兩臺OPC客戶機上的應用程序通過狀態字監控服務器的運行狀態并根據其與服務器的通信狀態來控制OPC主服務器與冗余服務器之間的切換。

2.3.3 OPC冗余系統架構

OPC冗余監控系統架構如圖2所示，OPC服務器A作為主服務器，B作為冗余服務器，兩臺服務器同時與底層控制器進行數據交換，正常情況下只有主服務器A的數據有效。OPC客戶機A和B能夠同時用于生產數據的查詢和監控，正常情況下均連接到OPC主服務器上。

圖2 OPC冗余監控系統架構Fig.2 OPC redundancy monitoring system architecture

在該冗余系統中，兩臺OPC客戶機均安裝有MatrikonOPC公司的MatrikonOPC Redundancy Broker（ORB）軟件即 OPC 冗余保障，此軟件根據狀態標志監控OPC服務器的工作狀態，在OPC主服務器A出現故障時，能夠實現將客戶機的數據交換應用程序鏈接切換至冗余服務器B上，以便保證系統仍可對現場實時數據信息快速采集及處理。

3 系統關鍵技術

3.1 OPC服務器數據傳送技術

OPC服務器包含硬件設備驅動程序，是按照OPC標準編寫的OPC服務器應用程序，能夠實現與底層硬件設備進行數據交互，向上與OPC客戶端應用程序通信完成數據交換。由于OPC服務器提供了統一的通信接口，開發的OPC客戶端應用程序不用再關心現場設備的驅動程序，只需要符合OPC接口規范，即可讀取OPC服務器提供的現場設備數據。

本系統中，采用的OPC服務器軟件為“RovingOPCServer_Setup_1.0.1.1”，20 臺粗紗車共用一個OPC服務器。OPC服務器軟件中配置2個主站，每個主站下有10個設備，每個設備配置的讀取信息包含有粗紗設備的“錠翼轉速”、“前羅拉速度”、“產量”等設備運行參數以及I/O信息。

3.2 OPC服務器與客戶機遠程通信技術

OPC服務器與OPC客戶機應用程序分別位于不同的計算機上時，實現二者之間的數據交換，首先需要對OPC服務器的DCOM進行配置，賦予客戶機訪問權限。

首先設置防火墻，并建立OPC服務器與客戶機相互識別的用戶賬號[6]。然后配置OPC服務器的DCOM，相應的服務組件包含于OPC服務器軟件中。

3.3 WinCC組態軟件建立OPC客戶端

WinCC組態軟件是西門子公司推出的用于工業現場監控的監控組態軟件，主要是利用各種協議與現場控制設備進行數據交換，將生產過程數據在監控畫面中顯示，供操作人員查詢和操作。具有變量組態、畫面組態、報表設計、變量記錄、報警歸檔等功能，并且支持OPC服務器和客戶端功能。

WinCC組態軟件安裝到兩臺客戶機上，配置OPC客戶端應用程序，在變量管理器中添加OPC驅動程序“OPC.chn”。然后在此驅動程序的“系統參數”的OPC條目管理器中瀏覽相應服務器，可一次將所需變量的條目全部添加完成，減少了手動建立變量時條目名稱不能確定和變量數目多的麻煩，并且其他相應設置可自動完成。配置完成即可讀取OPC服務器提供的數據，并進行參數畫面顯示，提供操作人員查詢生產數據信息接口畫面。

4 實際工程應用情況

本系統實現了粗紗紡織設備生產過程數據的采集與集成。采用WinCC組態軟件制作的監控畫面用于顯示OPC服務器傳送上來的生產過程數據；并且通過后臺腳本語言對數據進行處理分析，然后存入數據庫中，實現對粗紗設備生產過程的監控和管理、歷史數據查詢、報警信息的回顧、訂單跟蹤等功能。

粗紗單臺設備監控畫面如圖3所示，畫面中主要包括設備的運行信息、設定參數和I/O信息等。

圖3 單臺粗紗設備監控畫面Fig.3 Single roving device monitor screen

系統的主要特點和優點：

（1）實時監控粗紗設備的運行狀態、生產工藝、產品質量、生產效率等信息，實現訂單跟蹤、產量評估等，為企業的管理人員進行決策管理提供有力參考。

（2）系統可保存大量的歷史生產產量信息，對這些數據進行處理分析，可實現員工、機臺、輪班的班產量、月產量、年產量的查詢，為員工工資計算提供幫助，并且減少了人工抄表、錄入、計算的工作量和錯誤的出現。

（3）系統可為工藝管理人員提供每一臺粗紗車的生產工藝參數，實時監控工藝數據，分析對比，防止和及時發現工藝參數設定錯誤和機臺運行異常，提高產品質量水平。

（4）生產調度人員通過系統監控每個訂單的生產情況，實現合理安排訂單與分配原料。

（5）通過對機臺生產數據的對比和分析，實現對每臺粗紗車的設備故障統計和效率評價。設備維護、電氣維修、生產管理等人員可以采取針對性的維護和管理措施。

（6）系統具有運行穩定可靠、實時性較高、易于維護、性價比高等優點。

5 結語

本系統實現了將OPC技術融入到工業以太網和現場總線中，完成了粗紗工序生產過程的信息化。實現對粗紗單機設備運行狀況的監控以及設備故障的在線診斷和報警等操作；并且可以實現對粗紗生產工序進行監控和管理，提高生產效率和合理分配資源。通過對系統的優化設計，大大增強了OPC數據交互的可靠性和穩定性，并且將數據更新時間間隔減少至3.2 s，實時性能夠滿足用戶需求，并采用了冗余架構，確保現場實時數據的穩定性。OPC作為現場控制器設備與監控系統通信的橋梁，解決了工業控制系統中驅動異構的問題，彌補了現場總線技術的不足。OPC技術在本系統中的應用也為其他工程案例提供了有價值的參考。

[1] 王永華，A.Verwer.現場總線技術及應用教程[M].2版.北京：機械工業出版社，2012.

[2] Wolfgang Mahnke，Stefan-Helmut Leitner，Matthias Damm.OPC Unified Architecture[M].Germany：Springer-Verlag，2009.

[3] 日本OPC基金會.OPC應用入門[M].OPC（中國）促進委員會，譯.北京：OPC中國基金會，2002.

[4] 王黎明，夏立，邵英，等.CAN現場總線系統的設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5] 孟逢逢.冗余OPC數據采集系統的設計與實現[J].計算機應用研究，2009，29（1）：256-257.

[6] 任巍曦.OPC通信技術的研究與應用[D].北京：華北電力大學，2011. ■