基于WinCC OA的數(shù)字化工廠多源數(shù)據(jù)接入方法與實(shí)現(xiàn)

摘 要：生產(chǎn)型企業(yè)中面向現(xiàn)場生產(chǎn)人員、車間管理人員、集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)，需要設(shè)置不同的監(jiān)控與管理系統(tǒng)，如何將生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、電力調(diào)度系統(tǒng)、質(zhì)量檢測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)中的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行連接和共享，實(shí)現(xiàn)信息的流動和協(xié)同，是迫切需要解決的問題。為此，研究并實(shí)現(xiàn)基于WinCC OA的數(shù)字化工廠多源數(shù)據(jù)對接方法，整合各廠級信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，將來自不同系統(tǒng)、部門、設(shè)備的數(shù)據(jù)集成到一起，實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換和加載，減少數(shù)據(jù)孤島問題，提高數(shù)據(jù)的可訪問性和共享性。數(shù)字化工廠的多源數(shù)據(jù)接入可以提高數(shù)據(jù)的利用率，減少數(shù)據(jù)冗余，提升數(shù)據(jù)集成度，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、有效性和安全性，增強(qiáng)管理部門的實(shí)時(shí)監(jiān)控與處理能力。在數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立數(shù)據(jù)倉庫，這對數(shù)據(jù)深度挖掘和智能分析具有重要意義。

關(guān)鍵詞：WinCC OA；數(shù)據(jù)接入；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控；質(zhì)量檢測；通信協(xié)議

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-06

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.019

0 引 言

數(shù)字化工廠的建設(shè)旨在通過信息技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和管理，以提高生產(chǎn)效率、靈活性和質(zhì)量控制水平[1]。數(shù)據(jù)對接作為數(shù)字化工廠建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，連接和共享各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息的流動和協(xié)同。對接系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的最新發(fā)展水平，充分發(fā)揮系統(tǒng)平臺、網(wǎng)絡(luò)和軟件等總體集成的效能，通過統(tǒng)一規(guī)格化的生產(chǎn)工藝單元數(shù)據(jù)和界面，兼容國內(nèi)外多種主流控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線獲取生產(chǎn)工藝運(yùn)行狀態(tài)、故障數(shù)據(jù)，同時(shí)通過多種分析方法，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，為企業(yè)生產(chǎn)、集中管控、設(shè)備性能評價(jià)提供有力保障[2]。為建設(shè)數(shù)字化工廠，需要將生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、質(zhì)量檢測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等接入到數(shù)據(jù)中心。

本文在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)平臺上，研究基于分布式運(yùn)行架構(gòu)和WinCC OA將上述系統(tǒng)多源數(shù)據(jù)接入到數(shù)字化工廠數(shù)據(jù)中心軟件平臺的方法，進(jìn)而通過調(diào)度中心無縫監(jiān)視與控制位于不同生產(chǎn)車間的不同品牌工藝設(shè)備[3]，主要環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)源連接、數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理與存儲，以及數(shù)據(jù)對接與共享。根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，進(jìn)行相應(yīng)的配置和定制化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活、高效對接與利用，為生產(chǎn)和決策過程提供優(yōu)化和規(guī)范的流程，進(jìn)而提高管理水平和綜合經(jīng)濟(jì)效益[4]。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

為使系統(tǒng)滿足少人或無人值守的要求，采用分層分布式的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控管理層、通信接口層、現(xiàn)場控制層三個(gè)部分構(gòu)成，如圖1所示。該系統(tǒng)能夠配置通信組態(tài)、系統(tǒng)畫面組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)、報(bào)表組態(tài)等。現(xiàn)場控制層的設(shè)備由DCS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、智能儀表、微機(jī)保護(hù)裝置、智能機(jī)器人等組成，各現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)多個(gè)數(shù)據(jù)通道接入DCS/PLC主機(jī)[5]。DCS/PLC主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組合后形成通信管理層，安裝在通信屏/箱內(nèi)；經(jīng)通信管理層對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理后，再送入后臺監(jiān)控主機(jī)[6]。

后臺監(jiān)控系統(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過預(yù)留接口將SCADA數(shù)據(jù)上傳至其他監(jiān)控站及調(diào)度系統(tǒng)[7]，預(yù)留的接口還能與各種自動化系統(tǒng)和智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，可與各種第三方系統(tǒng)（DCS、PLC、工廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等）實(shí)現(xiàn)無縫連接，建立生產(chǎn)監(jiān)控可視化系統(tǒng)[8]。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

以某工廠數(shù)字化建設(shè)為例，根據(jù)廠區(qū)DCS/PLC等控制系統(tǒng)的分布情況以及廠區(qū)站房位置，在廠區(qū)設(shè)置了1個(gè)核心節(jié)點(diǎn)（集控樓中心機(jī)房）、4個(gè)主節(jié)點(diǎn)（東區(qū)廢氣處理主節(jié)點(diǎn)、西區(qū)廢氣處理主節(jié)點(diǎn)、空壓機(jī)房主節(jié)點(diǎn)、35 kV開關(guān)站），主節(jié)點(diǎn)到設(shè)備端采用環(huán)網(wǎng)連接，核心節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)采用星形連接。網(wǎng)絡(luò)路由清單見表1所列。

通過與各類傳感器和控制系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)對工廠各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集和檢測。通過對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和處理，可以及時(shí)掌握工廠生產(chǎn)過程中的變化和異常情況，提高生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集

以某工廠數(shù)字化建設(shè)為例，整個(gè)工廠劃分為原片生成車間、深加工車間、公用系統(tǒng)三部分，合計(jì)279套PLC，約

50 000個(gè)采集點(diǎn)。采集對象包含：通信管理機(jī)、電力裝置、PLC/DCS、HMI服務(wù)器。該工廠的采集對象雜、采集任務(wù)重，同時(shí)要求1 000 ms數(shù)據(jù)刷新率。

需要采集的數(shù)據(jù)：所有設(shè)備的狀態(tài)信息，如運(yùn)行、故障、開關(guān)等；所有測量數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、流量、電流、速度等；所有的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)，如設(shè)定值、配方值等。同時(shí)需要采集控制信號并能夠下發(fā)指令。

根據(jù)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，經(jīng)過詳細(xì)調(diào)研，確定了各個(gè)設(shè)備的采集協(xié)議，以西門子S7協(xié)議、OPC UA協(xié)議為主，ModBus TCP、OPC DA、HTTP為輔。表2列出了幾種主要的數(shù)據(jù)采集通信協(xié)議。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成

通過WinCC OA視頻接入組件，配置網(wǎng)絡(luò)攝像頭地址、編碼方式、用戶、密碼，接入RTSP視頻流，如圖2所示。

攝像頭接入成功后，可在后臺配置界面看到實(shí)時(shí)畫面，如圖3所示；也可在實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面添加視頻播放組件直接播放攝像頭實(shí)時(shí)畫面，如圖4所示。

2.4 質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)接入

質(zhì)量監(jiān)控是數(shù)字化工廠的重要監(jiān)控手段之一[9]，需要將各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和分析。通過對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和挖掘，可以獲取生產(chǎn)過程的關(guān)鍵性能指標(biāo)，優(yōu)化工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并提供決策支持。通過檢測設(shè)備調(diào)用WinCC OA質(zhì)量數(shù)據(jù)采集接口，然后再調(diào)用數(shù)字化工廠智慧平臺質(zhì)量數(shù)據(jù)接口，獲取平臺返回結(jié)果再返回給檢測設(shè)備，接口實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

WinCC OA同步數(shù)據(jù)給智慧平臺，包括采集能源數(shù)據(jù)、產(chǎn)品進(jìn)出站數(shù)量等數(shù)據(jù)，然后調(diào)用智慧平臺數(shù)據(jù)同步接口，接收返回值，如圖6所示。

3 多源數(shù)據(jù)接入接口開發(fā)

通過開放接口與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)不同平臺之間的數(shù)據(jù)共享與交互。例如，與供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的對接，可以實(shí)時(shí)獲取供應(yīng)商和客戶的信息，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈的透明化管理，提高供應(yīng)鏈的運(yùn)作效率。

數(shù)據(jù)分析是智慧工廠建設(shè)的重點(diǎn)，可靠的過程數(shù)據(jù)可以為數(shù)據(jù)分析提供保障。WinCC OA作為一款開放式架構(gòu)的SCADA軟件平臺，提供了多種數(shù)據(jù)對接的方式，設(shè)備能源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入采用HTTP接口[10]，數(shù)據(jù)中臺的數(shù)據(jù)接入采用Kafka接口[11]。

3.1 HTTP數(shù)據(jù)接口開發(fā)

能源管理需要用到能耗數(shù)據(jù)、原材料消耗量、主設(shè)備啟停號、產(chǎn)量數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算工藝/工序電耗、臺時(shí)產(chǎn)量、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率等。這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性不高，但對于確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳的功能至關(guān)重要[12-13]。

HTTP接口開發(fā)主要用到netPost、netPut、netGet、netHead、netDelete、httpConnect、httpServer等方法，可以依場景選擇。本文使用netPost、httpServer、httpConnect與第三方進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（1）netPost用于調(diào)用第三方提供的接口，本平臺按照接口文檔組織數(shù)據(jù)內(nèi)容，發(fā)送請求并等待返回結(jié)果。函數(shù)定義如下：

int netPost（string url， mapping|string|blob data[， mappingamp;result]）;

其中：url表示接口地址；data表示數(shù)據(jù)；result表示接口返回?cái)?shù)據(jù)。

（2）httpServer用于在平臺創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。函數(shù)定義如下：

int httpServer（[bool authRequired=true|string authMethod|dyn_string authMethods[， unsigned portNr=80[， unsigned SecurePortNr=443]]]]）;

（3）httpConnect用于在創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)方法，供第三方調(diào)用。函數(shù)定義如下：

int httpConnect（string|function_ptr callBackFunc， string resourceName[， string contentType = \"text/html\"]）;

3.2 Kafka數(shù)據(jù)接口開發(fā)

CDH（Cloudera Distribution of Hadoop）是Cloudera公司提供的一款基于Hadoop的大數(shù)據(jù)平臺。它包含了多個(gè)開源組件，如HDFS、YARN、Spark、Hive、Impala、HBase、Solr、Kafka等，還提供了一些管理和監(jiān)控工具來幫助用戶更方便地部署、配置和管理大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

WinCC OA平臺作為OPC UA服務(wù)器，通過OPC UA Gateway向數(shù)據(jù)中臺的Kafka接口推送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流向如

圖7所示。

將數(shù)據(jù)從WinCC OA發(fā)送到Kafka接口，需要實(shí)現(xiàn)圖7中的OPC UA Gateway網(wǎng)關(guān)。如果 PLC中有OPC UA服務(wù)器，或者帶有OPC UA服務(wù)器的SCADA系統(tǒng)，則可以采用訂閱主題的方式，轉(zhuǎn)發(fā)OPC UA不同節(jié)點(diǎn)路徑的標(biāo)簽點(diǎn)數(shù)據(jù)到Kafka對應(yīng)的topic主題中；再由Kafka消費(fèi)端將數(shù)據(jù)消費(fèi)到HBase、Oracle、MySQL等數(shù)據(jù)庫中。如果多個(gè)客戶端訂閱同一個(gè)虛擬主題，則僅對設(shè)備進(jìn)行一次訂閱，網(wǎng)關(guān)會將值分發(fā)給所有客戶端。

現(xiàn)根據(jù)當(dāng)前OPC UA節(jié)點(diǎn)，劃分為如下幾個(gè)主題：

Kafka 主題topic1

/Objects/topic1/group1/+

/Objects/topic1/group2/+

/Objects/topic1/group3/+

......

Kafka主題topic2

/Objects/topic2/group1/+

/Objects/topic2/group2/+

/Objects/topic2/group3/+

......

Kafka主題topic3

/Objects/topic3/group1/+

/Objects/topic3/group2/+

/Objects/topic3/group3/+

......

轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的JSON格式如下：

{

key： “Objects/數(shù)據(jù)類型示例/8位設(shè)備/R寄存器/Long4”，

value：

{

\"nodeId\" ： \"ns=2;s=數(shù)據(jù)類型示例/8位設(shè)備/R寄存器/Long4\"，

\"systemName\" ： \"topic2\"，

\"topicName\" ： \"opc/topic2/path/Objects/數(shù)據(jù)類型示例/8位設(shè)備/R寄存器/+\"，

\"browsePath\" ： \"Objects/數(shù)據(jù)類型示例/8位設(shè)備/R寄存器/Long4\"，

\"sourceTime\" ： \"2023-09-04T08：14：37.833Z\"，

\"serverTime\" ： \"2023-09-04T08：14：37.833Z\"，

\"sourceTimeMs\" ： 1693815277833，

\"serverTimeMs\" ： 1693815277833，

\"value\" ： 4200，

\"valueAsString\" ： \"4200\"，

\"valueAsDouble\" ： 4200.0，

\"statusCode\" ： \"0\"

}，

timestamp： 1693815278061

}

根據(jù)Key字段可以找到標(biāo)簽點(diǎn)的id值，根據(jù)value對象中的value字段可以獲取該標(biāo)簽點(diǎn)的實(shí)時(shí)變化值，根據(jù)timestamp可以獲取當(dāng)前的時(shí)間戳。如果需要其他字段，均可以放入value對象中進(jìn)行傳遞。Kafka主題topic見表3所列。

4 結(jié) 語

在數(shù)字化工廠建設(shè)過程中仍然存在挑戰(zhàn)，如系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)安全性和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等問題。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)對接在數(shù)字化工廠中的應(yīng)用將會更加廣泛和深入。基于WinCC OA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接入能力，能夠?yàn)橹悄芑S建設(shè)提供有力的支持。通過數(shù)據(jù)對接，實(shí)現(xiàn)工廠各個(gè)環(huán)節(jié)的信息共享和協(xié)同，可以提高生產(chǎn)效率、降低成本，推動智能化工廠建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展。但同時(shí)也需要注意數(shù)據(jù)安全和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等問題，不斷完善數(shù)據(jù)對接技術(shù)和管理方法，以實(shí)現(xiàn)智能化工廠的長期可持續(xù)發(fā)展。

表3 Kafka主題topic說明

Kafka主題topic

OPC UA訂閱節(jié)點(diǎn)

topic1

/Objects/topic1/group1/+

/Objects/topic1/group2/+

/Objects/topic1/group3/+

topic2

/Objects/topic2/group1/+

/Objects/topic2/group2/+

/Objects/topic2/group3/+

topic3

/Objects/topic3/group1/+

/Objects/topic3/group2/+

/Objects/topic3/group3/+

參考文獻(xiàn)

[1]王德權(quán).基于數(shù)字孿生的虛擬數(shù)字化工廠平臺[J].智能制造，2022，29（5）：50-53.

[2]呂慧超，張瑤，呂斌.一種基于WINCCOA數(shù)據(jù)采集平臺的生產(chǎn)管理系統(tǒng)：CN114723410A [P]. 2022-07-08.

[3]王圣博，王澤昊，高梓桐，等.一種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)接入方法

[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（3）：64-66.

[4]趙以濤.數(shù)據(jù)對接在儀器設(shè)備一體化管理中的應(yīng)用研究[J].中國管理信息化，2022，25（1）：96-99.

[5]劉廷方，魏琦，雷杰.以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的礦井智能通風(fēng)系統(tǒng)研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2021，36（11）：250-251.

[6]張佳林.數(shù)據(jù)采集及智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山東冶金，2022，44（3）：47-48.

[7]莊軍，張?jiān)龀S春，等.智能生產(chǎn)制造車間SCADA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].智慧軌道交通，2023，60（3）：72-77.

[8]於雙月，王飛，張瑞強(qiáng).生產(chǎn)監(jiān)控可視化系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2021，49（2）：203-206.

[9]郝星斗.玻璃缺陷在線檢測系統(tǒng)常見問題的解決方法[J].玻璃，2020，47（6）：39-43.

[10]吳王震.基于HTTP/HTTPS協(xié)議的Web系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測試方法研究[J].電子質(zhì)量，2022，43（9）：85-88.

[11]顧鑫，程淑玲.一種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施管理系統(tǒng)中的Kafka優(yōu)化方法

[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2021，49（3）：546-549.

[12]柯霖.基于多源數(shù)據(jù)融合與模糊聚類的電力工程數(shù)據(jù)處理方法研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（24）：163-167.

[13]張軍，陳霄，何育，等.基于BIRCH算法的配電網(wǎng)設(shè)備多源數(shù)據(jù)融合存儲技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（16）：

180-186.

收稿日期：2023-09-21 修回日期：2023-10-20

作者簡介：羅茂林（1983—），男，湖北潛江人，助理工程師，就職于湖北博華自動化系統(tǒng)工程有限公司，主要研究方向?yàn)樽詣踊刂葡到y(tǒng)和信息化管理。