基于OPC統一架構的毛衫生產車間信息模型及其應用

金貴陽， 陳 罡， 孫平范

(1. 寧波職業技術學院 智能裝備研究所， 浙江 寧波 315806； 2. 寧波大學 機械工程與力學學院， 浙江 寧波 315210；3. 浙江機電職業技術學院 自動化學院， 浙江 杭州 310059； 4. 寧波慈星股份有限公司， 浙江 寧波 315336)

為應對新形勢和挑戰，我國政府提出了“中國制造2025”戰略，服裝行業也在重點推進，國內骨干服裝生產制造企業紛紛試點了智能工廠、無人工廠、數字化車間等樣板工程。但是，各個制造企業在建設數字化車間時，都根據自己的業務需求聯合多家供應商構建車間的物理信息系統，各個供應商開發的系統通常采用不同的數據格式和定義，成為一個個信息孤島，在進行各系統信息集成和傳輸時需要多次開發信息集成接口，費時費力效率低，存在極大的人力浪費；如果數字化車間在建設之前就先定義好交互信息的標準化模型，則制造企業生產執行系統(MES)、機器人等各系統可以直接通過網絡實現互聯互通互操作，新設備或新系統在支持統一協議和標準信息模型的前提下可以即插即用，無需再開發數據集成接口，簡化了車間架構，可以大大節約數字化車間的開發成本。

對于解決車間信息孤島、數據異構、系統集成與互聯互通問題，國內外工業界和學術界進行了廣泛研究和示范應用。ISA 95[1]定義了標準化的術語與模型，旨在解決企業系統與制造系統集成、車間系統之間的集成難題。機械信息管理開放系統聯盟(MIMOSA)組織制定了OSA-EAI[2]與OSA-CBM[3]2個標準，對車間層的設備管理系統信息與功能做了標準化工作。OPC統一架構(UA)是工業4.0時代數字化車間的一個重要標準[4-5]，制定了復雜信息建模與安全通信標準，提供了一致、完整的地址空間和服務模型，解決了過去同一系統的信息不能以統一方式被訪問的問題。德國機械設備制造業聯合會(VDMA)基于OPC UA標準構建了多個行業的伴隨標準[6]，如:VDMA 40010∶2019是關于工業機器人的信息和通信行業標準；VDMA 40100∶2020是關于機器視覺的信息和通信行業標準。各個設備和軟件供應商可以在行業伴隨標準的基礎上構建自身產品標準的信息模型和通信接口，便于與外界互操作。禹鑫燚等[7]研究了基于OPC UA的數據采集系統，解決了工廠設備數據采集和統一監控難題。汪松松等[8]基于OPC UA構建了針織裝備信息模型，并對其進行了互聯互通測試，對各類針織裝備信息建模提供了很好的指導。李鋒等[9]以平幅連續生產車間為對象，研究和實現了紡織智能染整車間的信息模型，為紡織設備接入工業互聯網奠定了基礎。Liu等[10]采用OPC UA和數控設備互聯通信標準(MTConnect)搭建了數控機床的物理信息數字孿生平臺，支持數控機床設計、生產、使用和回收等全生命周期階段的優化決策。Woonggy等[11]對工業監視與控制系統做了OPC UA封裝，解決工業控制系統的多協議數據采集難題。Tiago等[12]使用OPC UA和時間敏感網絡(TSN)技術開發了自動化實時智能決策原型平臺，解決自動化系統異構數據的采集及高頻大容量數據的實時獲取和傳輸難題。

現有針對OPC UA標準信息模型的研究主要集中在自動化領域、產品或設備層面的標準信息建模，或者只是針對車間的某個局部進行建模，缺乏對整個車間尤其是毛衫生產車間的完整、通用的信息模型。數字化車間的信息規范嚴重滯后于數字化車間的實踐，造成了重復建設和浪費。本文在ISA 95標準的基礎上，將OPC UA應用于毛衫生產數字化車間，構建了車間的互聯網絡架構和標準信息模型，為車間各層級設備和系統間的信息交互提供一致的模型和接口，促進毛衫生產數字化車間的互聯互通，有助于實現毛衫生產的智能化。

1 ISA 95國際標準與數字化車間

ISA 95是企業系統與控制系統集成標準，是數字化車間的重要標準，可以作為車間標準信息模型的基礎。它將企業分為5個層次:L0、L1、L2層為設備控制層(包括批量、連續和離散控制);L3為制造執行層；L4為業務規劃層。ISA 95對車間層定義了四大信息模型和四大功能模型：四大信息模型包括定義、能力、計劃和性能模型，是制造執行層與業務規劃層之間交互信息流的基礎；四大功能模型包括生產運行管理、維護運行管理、質量運行管理和庫存運行管理。對每種功能模型又定義了8種基本活動模型，包含定義管理、資源管理、詳細計劃、調度、執行、數據收集、分析與追蹤。

2 OPC UA信息建模技術

OPC UA具有很強的信息建模能力，提供了豐富的數據語義，采用面向對象和面向服務技術實現不同系統間的安全可靠標準化信息交互。它的對象模型允許將數據、報警、事件和歷史數據集成到一個OPC UA服務器的地址空間當中。如能夠將一個溫度測量設備視為一個具有溫度值、報警參數和報警極限值的對象，OPC UA服務器則通過OPC UA服務(接口和方法)將對象集和相關信息開放給OPC UA客戶端。

OPC UA信息模型由節點組成，基于元模型構建，元模型是各個節點之間相互引用的信息模型基礎。OPC UA元模型定義了8種節點和對應的屬性及建模規則，在元模型的基礎上，各個行業組織可以根據自己的需求制定各個行業的伴隨信息模型，供應商可以在伴隨信息模型的基礎上，針對特定用例構建特定的擴展信息模型。本文根據毛衫生產數字化車間的組織架構和內部各功能模塊之間信息集成與互聯互通的要求，建立毛衫生產數字化車間信息模型。車間信息模型結構包括屬性元素、屬性、屬性集、方法、組件模型和引用，每個組件又包含對應屬性及其他子組件，其層次結構如圖1所示。車間信息模型對應整個車間，功能組件集對應車間各個功能模塊，資源組件集代表各個模塊涉及的各類資源；屬性集表示屬性的集合，屬性是信息模型描述的基本單元，具有固定的結構，用來描述設備、組件、屬性集、屬性之間的關聯關系[13]。

圖1 OPC UA信息模型結構Fig.1 OPC UA information model structure

經過多年的發展，OPC UA已經成為生產型企業設備層與車間層互聯互通事實上的標準。不同的組織提供了針對各種設備和系統的豐富的商業和開源OPC UA解決方案及開發工具，可以很大程度上降低OPC UA項目開發的難度和成本，現在存在的主要問題是開發人員比較緊缺。隨著國內外各大自動化廠商在產品和系統中加入OPC UA功能，如國內包括華為技術有限公司、和利時科技集團有限公司、杭州優穩自動化系統有限公司、浙大中控技術股份有限公司等均已在其產品和系統中集成了OPC UA功能，未來參與OPC UA開發的工程師會越來越多。毛衫相關行業也已開始應用OPC UA相關技術，如胡旭東等[4]從2016年就開始制定《針織機械聯網通信規范》系列標準，采用OPC UA標準框架構建針織機械聯網通信框架；針對圓緯機、電腦橫機、經編機分別構建了信息模型，定義針織毛衫等機械互聯互通語義；并針對大量低配置低成本的針織機械，構建OPC UA信息網關，通過標準的底層傳輸模式將其接入OPC UA信息網關，再將信息統一傳輸給車間層系統。寧波慈星股份有限公司也開始在其全成形橫機產品上試驗集成OPC UA功能，以便對外提供橫機生產和狀態相關的豐富的語義信息。

3 毛衫生產數字化車間互聯網絡架構

3.1 數字化車間功能體系

毛衫生產企業符合ISA 95標準定義的功能體系、層級結構和對象模型。毛衫生產數字化車間以物理車間為載體，以軟件技術等為方法，通過網絡連接毛衫生產過程中的不同單元，對毛衫的生產進行計劃、調度、管理和優化，實現多品種小批量的毛衫定制化生產。

毛衫生產數字化車間主要涵蓋毛衫生產過程，分為設備/控制層、生產執行層、企業業務計劃層。生產執行層管理毛衫生產過程中的各類業務、活動或資產，如生產運行管理、物流運行管理、質量運行管理、維護運行管理等模塊。毛衫生產以生產執行系統(MES)為核心，根據企業資源管理系統(ERP)生產計劃的指導，按照訂單的優先級、設備能力、機器負荷狀況、物料齊套狀況、設備毛衫款型適應清單等約束對訂單生產作業進行計劃調度、資源調配、產品質量監控等工作，從而實現毛衫生產自動化、數字化和智能化，減少人工干預，提高生產效率，降低管理成本。

3.2 數字化車間信息交互網絡架構

毛衫生產智能數字化車間互聯網絡中可使用OPC UA實現不同層級系統、設備之間的信息集成與交換，如圖2所示。通過OPC UA可實現現場設備與現場設備之間、現場設備與控制設備之間、控制設備與MES之間、MES與ERP/PDM/SCM等系統之間可靠有效地信息通信與集成應用，降低毛衫生產數字化車間系統開發成本，提高運行可靠性和方便車間快速重構，推動毛衫生產車間技術快速提升。

注：CAPP為智能工業系統，PDM為產品數據工業系統， ERP為企業資源管理系統，SCM為供應鏈管理系統。圖2 基于OPC UA的毛衫生產車間信息交互網絡架構Fig.2 OPC UA based interconnected network architecture in sweater production digital workshop

4 毛衫生產車間信息模型的構建

參考ISA 95和GB/T 37928—2019《數字化車間 機床制造 信息模型》，對毛衫生產數字化車間的集成信息進行梳理，采用OPC UA建模方法，得到毛衫車間標準信息模型,如圖3所示。

該毛衫車間標準信息模型主要由以下幾部分組成：

1)毛衫生產數字化車間基礎信息模型，包括車間靜態屬性集和車間過程屬性集。車間靜態屬性集定義毛衫生產車間的基礎靜態數據，包括車間基礎定義信息(如車間名稱、車間位置、車間負責人等信息)、生產組織(如部門、班組等信息)、產品訂單(MES從ERP系統獲取的訂單信息)；車間過程屬性集定義車間的過程動態數據，一般為車間各方面的匯總統計數據和車間訂單跟蹤信息，用于向ERP系統反饋，主要包括訂單跟蹤、生產統計、質量統計、庫存統計、維護統計等對象。

2)毛衫生產數字化車間生產運行管理信息模型，包括生產運行管理靜態屬性集、過程屬性集和生產資源組件集。生產運行管理靜態屬性集定義生產過程中涉及的靜態信息的集合，包括產品物料清單、產品/衣片生產計劃、產品/衣片加工工藝、衣片花版文件等；生產運行管理過程屬性集定義毛衫產品及其衣片生產過程中產生的信息對象及其數據屬性，包括的信息對象有物料請求、加工派工單、作業實績信息、生產計劃跟蹤等；生產資源組件集定義毛衫生產相關的設備、工裝、人員等的信息模型，包括的信息對象有電腦橫機信息、機器人信息、縫合機信息、羅拉車信息等。

圖3 毛衫生產數字化車間標準信息模型架構示意圖Fig.3 Information model architecture of sweater production digital workshop

3)毛衫生產數字化車間維護運行管理信息模型，包括維護運行管理靜態屬性集、過程屬性集和維護資源組件集。維護運行管理靜態屬性集定義了設備的日常管理和維修維護功能所需的靜態信息模型對象及其屬性集，包括設備臺賬、工裝臺賬、設備保養規范、設備點檢規范等信息對象；維護運行管理過程屬性集定義設備在故障報警、故障報修等過程中產生的故障信息、維護維修指令和過程記錄數據，包含的主要信息對象有設備點檢、設備保養、設備故障、設備維修、設備績效等；維護資源組件集包含維護工具信息、維護備件信息、維護人員信息等信息對象。

4)毛衫生產數字化車間質量運行管理信息模型，包括質量運行管理靜態屬性集、過程屬性集和質量資源組件集。質量運行管理靜態屬性集定義毛衫整衣、衣片生產過程中涉及的質量檢驗功能相關的靜態信息模型對象及其屬性集，包含成品質量定義、衣片質量定義、缺陷定義、質檢計劃等模型對象；質量運行管理過程屬性集定義成衣、衣片生產過程中涉及的質量檢驗過程執行及其結果相關的過程信息模型對象及其屬性集，包含質檢派工單、質檢執行、質檢計劃跟蹤、質檢結果統計等信息對象；質量資源組件集包含質檢設備、質檢工具、質檢人員等信息對象。

5)毛衫生產數字化車間庫存運行管理信息模型，包括庫存運行管理靜態屬性集、過程屬性集和庫存資源組件集。庫存運行管理靜態屬性集定義數字化車間運行過程中與物流管理、出入庫和配送相關的靜態信息集合，包含物流基礎信息、物料采購計劃、物料齊套信息、物料生產計劃等信息對象；庫存運行管理過程屬性集定義毛衫生產過程中涉及的物料分派、出入庫等動態行為產生的信息對象及其屬性集，包含物料入庫、物料出庫、物料移庫、物料配送等信息對象；庫存資源組件集包含倉庫、物流設備、物流工具、物流人員等信息對象。

5 信息模型在毛衫樣板車間中的應用

5.1 慈星毛衫生產數字化樣板車間簡介

寧波慈星股份有限公司本著“工業4.0”和“互聯網+”的創新理念，建設了毛衫智能工廠數字化樣板車間。整個數字化車間由160臺電腦橫機，30臺縫合機，86臺自動剪線、倒縫羅拉車，2套智能吊掛系統，2套機器人自動化生產線及其他一些輔助設備等硬件組成。軟件包含CAPP、數字化設計系統(CAD/CAM)、PDM、ERP、MES等。數字化樣板車間軟件、硬件總投資8 000萬元，實現的目標是生產過程可控、生產質量可控、兼顧生產效率，即通過信息化、數字化、智能化的生產過程，盡量減少人工干預，確保每件定制化產品高效、高質、準時、可靠地生產。樣板車間的核心是MES系統，其主要模塊包括業務管理、采購管理、倉庫管理、生產管理、設備管理、質量管理，通過它們與其他系統產生信息交互，毛衫個性化訂單的生產流程和信息流動如圖4所示。

圖4 毛衫個性化訂單數字化車間生產流程Fig.4 Sweater personalized order digital workshop production process

業務管理模塊主要管理客戶訂單獲取，可以從電商平臺獲取訂單和手工錄入訂單，同時獲取訂單的個性化信息。訂單的物料清單(BOM)與工藝從CAPP同步生成，BOM用于生產的準確配料，工藝主要包含織造過程的工藝路線、工序工藝要求、花版文件等。訂單BOM與工藝維護完成后，通過ERP系統的物料需求計劃(MRP)模塊結合PDM系統運算，考慮庫存和預計量生成采購計劃，進入采購管理模塊執行采購業務流程。業務(計劃)管理系統內部與采購、倉庫、生產MES、銷售、財務等系統緊密集成，外部與電子商務平臺、智能工藝系統集成，將訂單執行狀態信息與出運結算信息傳遞到電子商務平臺。生產管理模塊從業務管理模塊獲得客戶訂單以及相應的加工工藝文件，通過智能排程系統把生產任務分發下達到電腦橫機，通過毛紗配料管理利用智能吊掛系統把不同任務單的原料紗準確地送達相應的橫機機位，同時把對應任務單的花版文件下載到相應的橫機上以準確地按訂單要求進行編織；織片完成后用電子標簽(RFID)與訂單綁定，通過智能吊掛系統根據不同訂單所設定的工藝路線依次輸送到相應的工位，同時相應工位的工藝文件自動下載并在工位液晶屏上顯示以指導該工序工作，在完成片檢—套口—手縫—燈照等工序后，成衣離開吊掛系統進入后整理，通過加訂水洗標與訂單綁定，經過洗水—熨整—釘扣—成檢包裝貼條碼，最后打印快遞單發運交付客戶。整個毛衫生產樣板車間涉及了很多業務流程，需要多個系統、多個設備、多個人員之間協作完成，系統之間需要交互大量的信息，本文采用構建的毛衫生產數字化車間OPC UA標準信息模型對樣板車間的信息進行了標準化，保證各系統之間高效地實現信息互操作。

5.2 信息模型實例化

整個車間信息模型的實例化示范比較復雜，而電腦橫機是毛衫生產車間最重要的生產設備，本文以電腦橫機為對象研究信息模型的實例化。信息模型實例化即將抽象的信息模型實例化為實際的數據對象。圖5示出電腦橫機標準化信息模型，包括靜態屬性集、過程屬性集和部件組件集，受篇幅限制，只畫出了部分模型。靜態屬性集主要包括橫機的基本信息(型號、機器編號、機器名稱、機器廠家等)、工作參數(速度表、牽拉拉力表、度目表等)、配置參數(針距、機頭類型、牽拉裝置等)、性能參數(最大編織速度、最大編織幅度、最大密度等)等，過程屬性集包括運行信息(在制款號、在制生產單號、顏色、工序、尺碼等)、產量信息(設定件數、已織數量、未織數量等)、報警信息(天線臺斷紗、儲紗器報警、落布檢測錯誤等)、班產信息(班組編號、值班人員、當前班組生產時間、當前班組停車時間等)，此外還有電腦橫機子系統的信息模型，包含電動機系統、編織系統等。信息模型的使用過程就是實例化過程，主要是對電腦橫機的靜態屬性集和過程屬性集中的各類信息對象進行實例化，本質是對電腦橫機信息模型中的各類屬性填入具體的數據。

圖5 電腦橫機標準化信息模型Fig.5 Standard information model of computerized flat knitting machine

5.3 信息模型應用案例

信息模型中定義的對象及其屬性集的實際數據可采用集中式存儲的實現方式，即存儲于一個統一的數據庫；也可以采用分布式存儲的實現方式，將各子信息模型的數據存儲于車間內相關系統內，如CAPP、ERP、PDM、MES等系統，資源設備的信息模型數據可直接存儲于該設備自身的控制器中。本文涉及的項目是新建立的車間，信息系統可提前規劃，因此采用分布式存儲方式。采用Open62541開放源代碼在電腦橫機的控制器中開發了OPC UA服務器，將電腦橫機信息模型加載到OPC UA服務器地址空間當中。電腦橫機節點地址空間模型如圖6所示，其中“Root”根節點是地址空間的入口；“Types”類型節點包含了服務器中用到的所有類型節點；“Views”節點是地址空間的一個子集；“Objects”對象節點下面表示了實際設備信息在地址空間的組織，是地址空間的主體，電腦橫機信息模型定義的內容就包含在此節點下，如電腦橫機相關的靜態屬性信息、過程屬性信息、各子系統信息，電腦橫機在毛衫編織過程中，生產相關的信息都會定時更新到橫機OPC UA服務器的地址空間當中，提供給外部系統使用。

電腦橫機運行信息是毛衫生產數字化車間的數據來源和基礎，有了橫機OPC UA服務器，ERP、MES等系統可以通過OPC UA客戶端方便地獲取電腦橫機相關信息。圖7示出毛衫生產數字化車間MES系統生產管理功能中的單臺電腦橫機生產信息監控界面，界面中監控項目的數據來源于電腦橫機的OPC UA服務器，界面中主要顯示了班產信息、訂單信息、產量信息、運行信息和報警信息等部分。車間MES系統采用C#語言，基于Visual Studio和.NET Framework框架設計開發，在涉及到電腦橫機OPC UA服務器數據獲取時，使用UA-NET.Standard客戶端軟件開發工具包(SDK)編寫相應程序，不需深入理解OPC UA服務器和客戶端的實現原理，可以實現系統的快速搭建。

圖6 電腦橫機節點地址空間模型Fig.6 Node address space model of knitting machine

圖7 電腦橫機單機看板Fig.7 Information interface of single computerized flat knitting machine

6 結束語

標準信息模型是實現企業設備層、控制層、企業層之間互聯互通互操作的基礎，本文構建了毛衫生產車間標準信息模型并對其進行了應用。在OPC統一架構元模型的基礎上，給出了車間標準信息模型層次結構；提出了基于OPC統一架構客戶端和服務器的毛衫生產數字化車間的信息交互網絡架構，為毛衫生產車間數據的語義交互提供了架構基礎。從生產運行管理、維護運行管理、質量運行管理、庫存運行管理4個維度，構建了毛衫生產車間的標準信息模型，并將其應用于寧波慈星股份有限公司毛衫生產數字化樣板車間之中。介紹了毛衫個性化定制生產流程，鑒于整個生產流程和毛衫生產車間標準信息模型的復雜性，以電腦橫機信息模型實例化和OPC統一架構服務器開發為例，驗證了MES系統與電腦橫機之間的信息集成與互聯互通。驗證結果表明，基于OPC統一架構的信息建模技術與交互架構，降低了毛衫生產車間數字化系統集成難度和開發成本，提高了毛衫生產的效率，對其他紡織品生產數字化車間的建設也具有參考價值。