OPC UA信息模型在工業機器人監測系統中的應用研究

胡飛,鄒修敏,高朝祥,任小鴻,郝紅梅

(1.四川化工職業技術學院機械工程學院，四川瀘州 646300；2.機械結構優化及材料應用瀘州市重點實驗室，四川瀘州 646300；3.四川輕化工大學機械工程學院，四川宜賓 644000)

0 前言

“中國制造 2025”、“十四五規劃和2035年遠景目標”等戰略提出，推動了機械制造加工企業的信息化、智能化轉型升級，促進了工業軟件的發展[1-3]。工業機器人作為機械制造加工領域不可或缺的設備，加快工業機器人技術的信息化發展對智能化車間建設具有十分重要的意義[4-5]。

隨著機械制造加工車間智能化程度日益增強，車間裝備更加多元化，設備與設備、系統與系統間的交互更加頻繁，連接更加緊密[6-7]。工業機器人需與數控機床、AGV小車等多樣化設備協同作業，彼此生產協調和信息交互成為制造過程的關鍵一環。作為輔助生產的關鍵設備，工業機器人實現數據集成共享和設備互聯互通，以及對狀態進行監測顯得尤為重要[8-9]。徐建明等[10]設計了一種基于云平臺的SCARA機器人監控系統，通過采用OPC UA協議、前后端分離等技術實現本地客戶端與SCARA機器人的監控與交互。廖能解等[11]采用PLC+HMI的控制架構，以HMI為上位機實現上下料桁架機器人運行狀態的可視化監控。宋庭新、李軻[12]提出了一種基于OPC Unified Architecture的車間物理系統通信架構，通過將OPC UA通信協議、工業機器人ROS系統與PLC控制系統進行整合，實現了車間設備的數據采集和通信。HU 等[13]構建了基于B/S架構的機器人數據采集系統，通過移動智能設備獲取制造車間數據，實現車間設備、移動采集設備和服務器之間的交互。已有研究主要集中在對機器人的數據通信和監控層面，為機器人智能制造應用提供了借鑒。然而，只有對多源異構數據進行統一語義、信息進行統一傳輸，使底層數據規范化、通信標準化，才是數據互聯互操作、信息集成和數據融合處理問題的有效解決途徑。

本文作者主要針對機械制造加工車間存在的多元異構設備接口協議不一、多源異構數據語義格式不一致的問題，以OPC UA信息建模為核心，以柔性加工單元典型上下料機器人為研究對象，創新性地提出一種集OPC UA信息模型和OPC UA數據通信于一體的工業機器人監測系統；利用面向對象編程的思想，針對性地設計構建機器人共有和私有信息模型，模塊化構建OPC UA服務器與客戶端，實現信息模型和數據交互；最后選擇剎車盤柔性加工單元對機器人OPC UA信息模型進行應用，綜合C++、UA Modeler、Open62541等語言和工具開發上下料機器人監測系統。通過較完整的信息模型描述過程數據和統一的信息交互，為監測系統提供數據語義與格式一致和數據訪問與操作一致的標準，有效增強了系統信息集成性能和機器人與單元系統間的互聯互通和互操作性能。

1 基于OPC UA信息模型的工業機器人監測系統架構

以OPC UA兩大組件為基礎，以機器人OPC UA信息模型為中心，提出基于OPC UA信息模型的工業機器人監測系統實現架構，含物理、數據處理和應用三層結構，分為信息建模和通信兩部分，如圖1所示。將機器人信息模型和采用以太網方式、C++采集程序獲取的數據源加載封裝到服務器，模塊化構建開發OPC UA服務器過程連接、數據訪問等功能，服務器地址空間綁定實時數據源，格式化轉換數據源后將信息暴露給UA客戶端，客戶端對信息模型瀏覽、讀取和訂閱，進一步開發人機交互與監測系統，實現從源頭到終端的工業機器人數據規范化訪問和數據統一化傳輸。

圖1 系統架構Fig.1 The system architecture

2 工業機器人信息建模基礎

2.1 上下料機器人

作為機械制造加工車間最具代表性的輔助加工設備，工業機器人可實現對圓盤類、長軸類、不規則形狀、金屬板類等工件的自動上料/下料、工件翻轉、工件轉序等工作[14-15]。本文作者以典型6關節型上下料機器人為研究對象，其組成部分及各運動關節定義如圖2所示。

圖2 上下料機器人Fig.2 Loading and unloading robot

2.2 OPC UA信息建模流程

OPC UA作為基于COM規范的替代而被引入，OPC UA涵蓋了獨立于平臺的系統接口的所有要求，有支持復雜的數據結構、統一的數據獲取方式、多平臺支持、增強的安全機制等優點，并且新標準可從嵌入式系統擴展到SCADA和DCS，直至MES和ERP[16-18]。

在OPC UA規范中，將用于代表系統、系統組件、現實世界的事物稱為對象，將對客戶端可用的對象集合及其相關信息稱為地址空間[19]。地址空間是OPC UA服務器用來表示具體事物對象的一個標準方式,它的模型元素被稱為節點，不同類別的節點用屬性描述。實際在對設備對象進行建模和映射時，底層設備的各實例數據分別對應映射為OPC UA的對象、變量和方法，用引用建立組件與組件的聯系，這些變量、方法、引用等抽象信息則是地址空間中的一個個節點描述[19-22]。所以，信息建模的過程就是在定義地址空間模型。

根據OPC UA建模規范，提出上下料機器人信息建模流程，主要分4個階段，如圖3所示。首先，根據應用需求，對機器人系統進行模塊化分解，提取機器人屬性，基于實際功能要求對機器人整個系統進行分解，劃分子模型，建立類型模型，實例化信息模型，最后轉換信息模型為XML模型描述文件，以作為OPC UA服務器地址空間實現實例化信息的數據來源。

圖3 建模流程Fig.3 Modeling flow

3 上下料機器人的OPC UA信息建模與實現

3.1 信息模型定義與實例化

上下料機器人在機械制造加工車間的運動控制、設備故障和抓取精度退化問題十分突出[23]。如何實時獲取機器人位置運行數據、設備報警/故障原因等成為監測重點。

根據監測需求和設備主要功能要求，對上下料機器人作業過程中涉及到的關鍵數據進行建模。通過對上下料機器人系統組織結構與生產過程進行抽象分析，建立上下料機器人數據類型到OPC UA對象類型節點的映射。對象類型分共有和私有類型，設備共有類型模型定義了機器人與機械制造加工車間其他主要加工設備(如加工中心、數控車床)共有的屬性，如圖4所示。例如，過程運行類型屬于過程屬性集，過程屬性集定義在生產過程中采集的、隨生產過程變化而變化的數據，是動態屬性數據的集合。如過程運行類型的設備狀態數據變量、啟動和急停控制方法等，其定義如表1所示。

圖4 設備共有類型模型Fig.4 Common model types of devices

表1 過程運行類型Tab.1 Process operation types

由于機械制造加工車間多元異構設備的控制系統和機械組織結構存在差異，設備功能和應用場景不同，但可根據上下料機器人的結構特點和應用需求將機器人設備私有類型總結為5類，將這些類型映射為OPC UA中的對象類型節點，如表2所示。

表2 私有組件類型Tab.2 Private component types

圖5為上下料機器人的OPC UA信息模型結構。機器人類型(RobotType)有4個特有屬性作為靜態字符串變量表示機器人的靜態特性，5個子對象類型描述機器人組件屬性。控制器類型(ControllerType)用于處理實時數據的變量，如控制狀態、作業模式；關節類型(JointType)用于處理6個關節對象的節點，提供機器人J1-J6關節的速度、角度、角速度、旋轉速度；伺服類型(ServoType)用于提供機器人各軸伺服驅動相關的信息，如伺服狀態、速度、負載；機械卡爪類型(ClawType)用于描述卡爪工作狀態是鎖緊還是放松；行走軸類型(WalkingAxisType)為附加軸類型，該對象類型包括有效行程、坐標、行走速度等信息，行走軸伺服信息繼承于伺服系統類型。

圖5 OPC UA信息模型結構Fig.5 OPC UA information model structure

以機器人關節類型為例，上下料機器人六關節機械手的操作有6個獨立驅動的關節結構，機械手臂是利用X、Y、Z軸的旋轉和移動到達規定位置，主要有位置和速度相關數據。上下料機器人關節類型具體定義如表3所示。

表3 關節類型定義Tab.3 Definitions of joint types

通過共有和私有類型模型結合，可較完整地覆蓋上下料機器人加工作業產生的關鍵動靜態數據。

這些節點是從泛型信息模型中類型定義實例化的變量，如Joint_Speed表示機器人關節的運動速度，是一個雙精度浮點只讀變量，最小間隔采樣為100 ms，父節點數據關聯對象指示JointType。關節對象的子節點屬性如表4所示。

表4 關節對象節點和屬性Tab.4 Nodes and attributes of joint objects

定義模型僅為抽象信息模型框架，按照類型定義所屬類別和語義填充模型框架中的各類信息元素，把抽象類型轉化為具體設備存在的對象實例信息，形成具有實際功能意義的上下料機器人OPC UA信息模型對象[19,22]。以上下料機器人關節為例，關節對象實例化信息模型如圖6所示。其中，讀數變量的實例化初始值設置成0.0，當實現實時數據源與OPC UA服務器對應節點相互綁定之后，讀數變量值將會刷新成實際值。

圖6 關節對象實例化Fig.6 Sample of joint objects

以圖形方式直觀展示機器人信息模型，轉換可視化信息模型為OPC UA服務器可理解和解析的形式。利用建模生成器UA Modeler創建生成機器人OPC UA信息模型和模型描述文件，圖7為可視化的機器人部分OPC UA信息模型。

圖7 可視化模型Fig.7 Visual model:(a)sample 1;(b)sample 2

利用UA Modeler建模工具生成能被OPC UA服務器解析識別的XML描述文件，通過XML源模型文件實現機器人OPC UA信息模型的映射。上下料機器人信息模型的XML描述文件如圖8所示。

圖8 XML文件Fig.8 XML file

3.2 OPC UA服務器/客戶端開發

以機器人XML文件為輸入，綜合采用Python、Open62541、Cmake等工具解析XML文檔為OPC UA服務器可識別代碼。模型編譯結果如圖9所示。

圖9 模型編譯Fig.9 Model compiling

開發OPC UA服務器，模塊化構建OPC UA服務器數據訪問、過程連接、地址空間管理等功能模塊，實例化信息模型，Modbus協議、以太網方式獲取機器人數據源，數據映射關聯到地址空間對應節點實現數據訪問模塊。過程連接負責向上和向下傳輸實時數據和數據綁定。過程信息將被過程連接作為實時數據收集，將其指定給相應變量節點，客戶端調用UA服務集處理過程數據。UA客戶端通過UA服務器提供的服務集和節點管理顯示機器人信息模型并讀取或修改相應數據。OPC UA服務器開發結構如圖10所示。

圖10 OPC UA服務器開發結構Fig.10 OPC UA server structure

綜合利用Open62541 v1.1開源庫開發一個基于QT的OPC UA客戶端。UA客戶端右側建立與UA服務器通信連接，包括配置網絡地址和端口號、加載安全證書等，測試情況如圖11所示。結果表明:OPC UA客戶端能與OPV UA服務器建立正常通信，上下料機器人OPC UA信息模型能實現瀏覽、讀取和訂閱，上下料機器人信息模型可以很好地進行訪問，相應節點信息可以成功實現監控管理，證明了在OPC UA框架下構建的上下料機器人實例化信息模型的正確性。

圖11 OPC UA客戶端測試Fig.11 OPC UA client test

4 應用

選擇典型剎車盤柔性加工單元對機器人OPC UA信息模型進行綜合協同建模，開發基于OPC UA信息模型的上下料機器人監測系統進行應用試驗。剎車盤柔性加工單元現場應用環境如圖12所示。

圖12 應用環境Fig.12 Application environment：(a)model;(b)real field

上下料機器人的各類生產加工關鍵數據在OPC UA地址空間統一轉換成語義格式一致的數據并存儲于MySQL數據庫。數據庫向UA服務器映射，向上和向下傳遞數據。監測系統讀取數據，可視化顯示相關內容實現數據應用。上下料機器人的監測界面和機器人示教器操作界面分別如圖13和圖14所示。監測系統獲取結果與真實機器人示教器中讀取的數據進行對比，結果表明基于OPC UA信息模型的監測系統能實現上下料機器人運行狀態監測。

圖13 監控界面Fig.13 Monitor interface

圖14 機器人示教器界面Fig.14 Interface of robot demonstrator

5 結論

與常見監控系統不同的是，該上下料機器人監測系統后臺的數據應用均來源于OPC UA服務器地址空間，OPC UA服務器各功能模塊與OPC UA客戶端綜合實現了上下料機器人數據源格式和語義標準化和數據的統一通信，同時數據操作也得到統一。應用結果表明：設計的上下料機器人OPC UA信息模型能較好覆蓋監測系統的數據應用需求，驗證了信息模型的完整性、實用性和所提框架的可行性。

針對性設計了上下料機器人OPC UA信息模型，將其應用于監測系統中，有效解決了底層數據源格式語義和數據通信不一致的問題，進一步促進了系統信息集成和設備間的互聯互通和互操作。這為機械制造加工車間信息化、智能化建設提供了參考。