基于OPC UA的擠出生產線數據采集與監控系統

王小友，廖映華，王華，張宇航

(四川輕化工大學機械工程學院，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實現薄膜、片材、管材、異型材等不同類型塑料制品的連續化生產，適用于絕大多數熱塑性塑料，50%的塑料制品是通過擠出成型完成的[1]。目前，國內外大多數塑料擠出加工車間設備多元化，各裝備的數據通信協議不一致，車間子系統分散，控制網絡結構差異較大[2]，導致現有的絕大多數擠出生產線數據采集仍停留在設備層的單一數據監控，對車間上層業務系統的監控管理難以提供有效的數據支持。傳統的生產過程監控、設備管理維護模式嚴重阻礙了我國塑料加工車間信息化、集成化發展，難以滿足現代化生產對數據共享的需求[3]。為了提升擠出制品的質量與生產效率，塑料制品生產企業對生產過程中擠出裝備運行數據的采集與監控需求日益強烈，塑料成型裝備也向著高效智能化發展[4]。為此需要新一代技術框架來滿足互聯互通互操作、信息集成等要求。為了順應企業和用戶需要，OPC基金會推出OPC統一架構，即OPC UA，它為品牌、型號各異的設備提供一種簡單且統一的接口，保證設備間能夠交互通信，主要用于解決當前工業控制領域中存在的兼容性、開放性、通用性等難題，對于設備的數據采集與監控簡單可靠[5]。以傳統擠出生產車間數字化轉型為載體，以擠出機生產線為研究對象，提出一種基于OPC UA的擠出生產線組成設備數據統一采集和集中監控方案，實現對不同擠出生產線生產過程數據的實時采集和集中監控。這些研究有助于提高車間設備的生產效率和信息化水平，對實現向數字化車間轉型具有重要的意義。

1 系統總體方案設計

1.1 系統功能需求分析

面對目前傳統擠出加工車間監控系統存在的諸多問題，企業迫切需要一種面向生產車間多源異構設備特點的數據通信模式和監控系統架構，以實現上層業務系統的信息集成和設備互聯互通，提升車間生產線的監控管理水平，提高車間生產效益和企業競爭力。為此，將OPC UA應用于擠出加工生產線監控系統中，通過對車間生產線組成進行分析，借鑒國內外機械制造加工車間監控系統開發相關研究，歸納出基于OPC UA的擠出加工生產線監控系統的總體需求如下：

(1)現場數據互聯互通。車間生產線自動化設備作業方式往往比較單一，不同程度形成信息孤立點，需要把分布在生產線的各種數據信息連接并集中到一起，防止“信息孤島”產生，從而使設備與設備之間實現信息共享，協同生產[6]。

(2)數據通信統一化。生產線自動化設備數據接口和通信協議各種各樣，難以用統一的方式采集數據，使得設備兼容性和數據通信得不到保證。系統需要解決不同設備數據通信兼容性問題，提供一個統一的數據訪問標準，降低訪問數據過程的復雜程度。

(3)應用系統信息集成。傳統擠出加工車間在往數字化、信息化車間轉型升級時會根據自身情況實施企業級信息管理系統，如MES、ERP等，但由于難以實現對車間多種異構數據的集中處理，造成設備層與企業信息管理系統之間溝通受阻，上層指定的生產管理計劃難以落實到生產線中。因此，系統應具備與上層業務系統進行數據共享和數據集成的能力，為上層業務系統提供全面有效的數據支持[7]。

(4)可拓展、可通用。在引進新設備、改造舊設備時，監控系統需要良好的拓展性和通用性，只需對系統稍加改動便能兼容其他各種類型和型號的設備，實現對新環境的監測管理[8]。

(5)數據可視化監測。擠出加工生產線制造信息傳輸滯后、數據不完備，造成設備利用率低，難以對車間進行有效的管理[9]。有必要建立數據互聯互通的擠出加工生產線監控系統，實現對車間生產線實時數據的可視化、透明化監控。

1.2 系統總體架構設計

根據系統的需求分析，結合OPC UA技術規范，將整體系統劃分為4個層次，分別為物理層、服務層、信息層和應用層。總體框架如圖1所示，具體如下所述：

圖1 系統總體框架

物理層主要包括不同類型的擠出機、輔助系統、冷卻加熱系統，需要集中監控的主要有主電機和喂料電機、電機驅動變頻器、傳感器、各類儀表等，設備控制系統類型有西門子、三菱、歐姆龍等，各類設備通過以太網接口與車間局域網連接。

服務層主要搭建OPC UA服務器，是數據采集模塊，負責將底層設備生產過程中所產生的數據統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服務器地址空間節點中，將不同控制系統專有的協議轉化為統一的OPCUA的協議，并為上層預留一致性的訪問接口。

信息層主要通過OPC UA標準規范開發OPC UA客戶端對接OPC UA服務器，通過服務器訪問接口獲取地址空間生產數據和其他數據信息，對數據類型進行分析處理，連接數據庫存儲歷史數據，為系統的其他功能提供數據支持。

應用層是數據的最終展現形式，通過其他3個層次的服務與支持，為應用層系統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行響應。

1.3 系統的總體網絡結構

分析智能制造系統功能和組織架構是建立制造加工車間系統網絡結構的基礎，在此基礎之上，結合系統功能需求和數字化車間層次結構，提出擠出加工車間數據采集網絡連接架構，如圖2所示。

生產車間底層設備均有以太網接口，對于未擁有上位機系統的設備使用現場總線實現內部組網并連接控制器，然后與具備上位機系統的設備通過工業以太網與總OPC UA服務器連接。OPC UA服務器將數據匯總后為客戶端提供實時的數據支持并保存到數據庫中。另外，車間層需要通過局域網連接到企業服務器，實現上層業務系統對底層數據的交互應用和數據集成。

圖2 系統網絡連接架構

2 OPC UA服務器的設計與實現

2.1 OPC UA服務器地址空間信息模型

信息模型是統一底層數據信息接口和實現設備與系統之間互聯互通的核心基礎。對于監控系統而言，設備的互聯互通和設備內部信息的標準化是衡量系統功能好壞的重要指標之一，只有良好的設備互聯和規范統一底層數據格式才便于數據表達、傳輸和共享[10]。

通過對生產線數據進行分類整理，運用面向對象的方法構建OPC UA服務器地址空間數據模型[11]，結合OPC UA地址空間模型規范，將各種類型數據映射到OPC UA服務器地址空間，客戶端通過地址空間統一訪問服務器節點信息，便于OPC UA客戶端獲取、分析和處理生產數據。圖3所示為OPC UA服務器地址空間中擠出車間生產線數據模型。

基于用戶著重關注的信息和監測系統的功能需求，結合生產線各組成設備主要功能，將擠出加工生產線監控系統所需數據進行篩選，主要對擠出生產線組成設備加工過程涉及到的關鍵數據進行信息建模。在擠出生產過程中，涉及到的關鍵參數主要為主機監控系統中的控制器信息(如電源狀態、執行模式等)、擠壓系統的螺桿信息(如螺桿轉速、啟/停等)、物料系統中上料信息(如吸料時間、物料狀態等)、加熱冷卻裝置傳感器信息(如傳感器狀態、傳感器值等)、輔機監控系統中冷卻定型裝置的水泵和風機信息(如水泵啟停、風機開關等)、牽引切割裝置中電機信息(如牽引速度、電機轉速等)。

圖3 擠出加工車間服務器地址空間模型

2.2 KEPServerEX服務器設計

本地監控服務器為整個系統的核心部分，OPC UA服務器主要用于實現對底層設備數據的采集和封裝，使得一個或多個客戶端可以用一個統一的方式獲取不同底層設備的數據。本文作者以KEPServerEX作為OPC UA服務器進行搭建與環境配置。該軟件提供了160多種設備驅動程序，兼容300多種工業協議，擁有多種高級插件，可以有效地與成千上萬種設備進行連接通信，并且通過一致性的服務器訪問接口將工業數據通過OPC UA協議與OPC UA客戶端通信[12-13]。利用KEPServerEX搭建OPC UA服務器，其核心在于創建OPC服務器的服務器對象(Server)、組對象(Group)、項對象(Item)。一個服務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OPC UA服務器中與數據有關的信息；組則作為設備的基本單位，提供包容和組織OPC項對象的機制[14]。搭建OPC UA服務器的具體流程如圖4所示。

圖4 KEPServerEX服務器搭建流程

在整個擠出加工車間監控系統設計中，采用KEPSereverEX作為本地監控系統的OPC UA服務器需對加工車間的不同種類設備進行分類，確定底層設備與KEPServerEX服務器所需的通道類型、連接方式、設備屬性配置等信息。結合OPC UA服務器地址空間中的設備數據模型，創建服務器所需采集的數據變量，需要給每一個數據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PLC中寄存器的數據對應。如地址“DB1.l14，Short”，其中DB1代表PLC中的數據塊，l14代表數據地址偏移量，而Short則是該數據的類型。擠出生產線監控系統KEPServerEX服務器采集變量組態界面如圖5所示。

圖5 KEPServerEX服務器組態界面

3 OPC UA客戶端與服務器的交互

OPC UA與傳統的OPC都是使用簡單的C/S(客戶端/服務器)架構，OPC基金會提供了工業自動化互操作性數據傳輸標準，并提出了OPC UA應用程序開發框架[15]。UA客戶端與UA服務器信息交互的架構如圖6所示，可知客戶端和服務器使用API交換信息。信息交換方式有兩種：第一種是客戶端發送服務器請求，UA通信棧將其轉化為請求消息后發送到UA服務器通信棧，服務器API調用對應的響應服務指定地址空間對應節點，完成響應任務后返回一個響應消息；第二種是客戶端發布請求產生會話發布列隊，服務器通過設置監視項，監視項對會話列隊進行訂閱監視，指明要監控的項目，處理完成后由訂閱發送通知報告給客戶端。

基于OPC UA的數據采集和處理系統主要目的是將底層不同類型設備的生產數據統一采集到OPC UA實現協議的轉換，可以達到一個OPC UA客戶端集中監控多種工業設備的數據，同時將數據統一存儲到數據庫中，有利于工業設備有效監測和設備故障預測分析。為此，基于客戶端與服務器的交互框架開發OPC UA客戶端，利用OPC UA基金會所提供的SDK，采用C#語言開發基于.net framework框架的OPC UA客戶端，其內部實現流程如圖7所示。主要功能是實現客戶端API與服務器訪問與測試功能，在程序中開發的OPC UA客戶端功能主要包括刷新本地已注冊的OPC UA服務器、連接服務器、瀏覽服務器地址空間、節點數據的訂閱、讀寫信息節點屬性、實時數據曲線圖顯示、對接MySQL數據庫。

圖6 客戶端與服務器交互架構

圖7 OPC UA客戶端訪問流程

在擠出加工車間中擠出生產線通常由輔機系統和主機系統組成，由于兩種系統來自不同的廠商，導致與外部系統通信協議不一致。以管路擠出生產線為例，主機系統采用Siemens TCP/IP Ethernet協議，輔機系統采用Modbus TCP/IP Ethernet協議與外部進行通信。要想使兩種系統不同的數據格式以一種統一的接口方式采集到上層業務系統，首先要將兩種不同的數據采集驅動配置到本地的OPC UA服務器系統中，底層設備需要設置IP地址和端口號。主機系統控制器的IP地址為192.168.1.100，輔機系統控制器IP地址為192.168.1.10，端口號為502，然后配置需要采集的設備數據節點相關信息。OPC UA服務器成功與設備建立連接后，OPC UA客戶端通過服務器的端點與OPC UA服務器建立連接。圖8所示為OPC UA客戶端與OPC UA服務器通信的結果。

圖8 OPC UA 客戶端測試結果

通過測試可知，刷新服務器后選擇本地OPC UA服務器連接，服務器地址空間欄顯示節點結構信息，然后選擇所需要的節點信息到屬性欄顯示數據的相關屬性，可以根據需要訂閱節點數據顯示實時變化圖并將訂閱的節點數據保存到數據庫中。經測驗，OPC UA客戶端能對擠出機設備傳感器溫度以及電動機相關數據進行實時采集與交互、儲存，系統各部分功能符合設計要求。

4 擠出車間可視化監控系統設計

根據現場擠出車間多條自動化生產線實際生產情況，利用OPC UA服務器完成設備數據的采集與匯總統一，OPC UA客戶端完成數據傳輸交互測試與存儲后，采用C#語言.NET Framework框架設計基于OPC UA的生產線可視化監控系統。根據系統的可視化需求，結合生產線組成特點，將系統分為主機監控和輔機監控，主要實現對底層設備的基本信息、位置信息、加工狀態信息、報警信息的監控。圖9為車間現場生產線，包括液袋擠出生產線、滴斗擠出生產線、管路擠出生產線等，圖10所示為管路擠出生產線主機系統實時數據監控界面。

該系統將水泵壓力、傳感器溫度、電機速度等現場重要的生產工藝參數實時顯示出來。管理人員可以根據監控數據對生產線設備進行集中管理，不必額外的工作人員對每臺設備進行監管與數據記錄，提高了生產效率，降低了人工成本。同時可以改變生產工藝參數滿足生產需要，達到生產要求。系統還具有報警顯示功能，可根據生產要求設置數據報警上、下限，故障發生時及時提示操作員進行故障排除，同時將報警信息存入歷史數據庫。

圖9 擠出車間現場設備

圖10 擠出生產線監控界面

5 結語

針對傳統擠出加工車間設備種類繁多、數據管理方式落后等問題，提出數據采集監控系統多項功能需求，設計系統整體技術框架及網絡連接方式。根據OPC UA服務器地址空間模型規范，針對多條擠出生產線建立設備數據交互模型，利用KEPServerEX軟件搭建OPC UA服務器完成底層不同設備協議到OPC UA標準協議的轉換。開發OPC UA客戶端接口，實現數據的統一訪問和儲存，根據實際擠出加工車間設備生產狀況，開發的監控系統能很好地應用經過格式化處理的現場制造數據，車間底層不同設備生產數據信息能以標準化方式采集和統一監控。