面向3C非标检测设备的可配置监控系统研究与实现

李宝超，武智强，张承瑞，胡天亮

(1.山东大学 a.机械工程学院；b.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061；2.山东大学 苏州研究院，江苏 苏州 215123)

0 引言

随着社会的进步和发展，以3C消费电子产品为代表的产品呈现出个性化的趋势。在此背景下，生产检测设备也逐渐体现出多样化、个性化的特点，各种非标设备为主要设备的在车间中的比重也越来越大[1]。由于设备的复杂性和生产任务的多样性，其实际生产过程的诸多因素导致生产任务与生产计划脱节、生产管理困难等问题。最近几年，随着计算机技术、车间智能管理技术的发展，车间管控系统在提升车间管理水平、保证产品质量的稳定性和提升生产效率方面，发挥了重要作用，因此有必要设计针对非标自动化设备车间的可配置监控系统。

国内外对数控设备监控的研究已经取得了较多的成果，监控方案也由原来的单一的监控向网络化监控发展[2-6]，随着工业的快速发展，监控内容也变得更加繁杂，因此车间、设备模型成为国内外学者研究的重点。张兆坤等[7]分析了数字化车间信息模型建立的方法与相关标准，得出了采用OPCUA完成信息模型具有较大优势的结论；陶飞等[8]提出了数字车间的概念并阐述了数字车间模型的优势和主要的建模规则；刘日良等[9]研究了基于MT Connect的数控机床网络化监控技术，并且侧面论证了MT Connect方法的可行性和有效性以及MT Connect的建模能力；路小虎等[10]为了实现网络化环境下制造设备的管理和远程监控，提出了开放网络环境中的数控设备信息集成方法。这些方法的研究和应用为自动化设备的监控方案提供了有力的参考。然而，对于3C产品的非标检测设备而言，由于其种类繁多，且不同设备需监控的数据类型大多不同，造成了其监控系统实施周期长、易用性差等问题。

本文基于现有的对监控系统的研究成果，为适应3C非标车间设备种类多、监控变量繁杂等特点，构建了以设备信息模型为基础的可扩展的车间信息模型并以XML文件的形式保存，在该模型基础上结合OPCUA技术构建了可配置性的车间监控系统。该监控系统采用统一结构的信息模型解决了车间不同类型设备数据异构问题从而使得车间监控系统具有可配置性，同时结合可扩展的协议驱动模块解决了底层设备通讯协议不统一的问题。

1 系统总体架构

3C非标自动化检测设备作为本系统的管控对象。由于非标设备的类型繁多，且不同设备类型的监控内容也不尽相同，监控变量及管控数据类型繁杂，不同类型设备可能采用不同厂家的控制系统，通信协议也不完全相同，这使得设备的异构性变得尤为突出。根据上述分析，概括总结出本监控系统需要解决的问题：

(1)创建相应的信息模型实现监控信息的灵活配置；

(2)针对异构设备通信协议不统一问题，实现监控系统对不同通讯协议设备的兼容；

(3)根据信息模型结构加载配置文件，实现数据库的自动配置与创建。

根据对3C非标自动化检测设备监控系统的总体要求，本文设计了基于OPCUA的3C非标自动化检测设备车间监控系统的系统框架如图1所示。该架构主要由以下部分构成，车间描述文件编辑器及其生成的配置文件、车间服务器程序、普通监控客户端、数据库管理客户端等构成，详细描述如下：

(1)根据系统对可配置性的要求，本文创建可扩展的设备信息模型和可扩展的车间信息模型，采用车间描述文件编辑器创建车间信息模型实例并生成配置文件；

(2)车间服务器根据配置文件自动生成地址空间，完成每台设备基本信息在服务器内的初始化实现监控变量的配置；

(3)服务器中可扩展驱动模块采用统一的数据读写接口，不同通信协议通过继承该接口生成具有统一接口的库，根据配置文件中通信协议信息加载不同的库文件，实现服务器程序对不同通讯协议的支持；

(4)数据库管理客户端根据配置文件中公司信息创建或加载相应的数据库，根据文件中信息实现数据库的自动创建，并且根据文件中变量的配置信息完成数据的实时保存，最终实现数据库的配置。

图1 系统整体框架图

2 监控系统实现

2.1 车间信息模型

3C非标检测设备车间设备种类多，监控信息复杂，车间设备信息及其监控信息描述困难，为解决这些问题创建了可扩展的车间信息模型。该模型主要包含车间描述信息以及设备描述信息，整体采用树形结构，设备类型信息集由多个设备类型子树构成，设备类型子树独立存在且互不影响提高设备类型的扩展性；车间信息模型包含车间描述信息及其设备信息集，设备信息集以树形结构存储设备类型的引用信息，使得车间信息模型具有良好的信息扩展性。

2.1.1 设备信息模型及其数据存储类型分类

针对监控系统的功能以及监控对象的特征，对需要采集的设备信息进行分析，给出了面向非标自动化设备的信息模型如图2所示，该树形设备信息模型分为设备状态监测、系统自定义数据监测、生产数据监测(自定义)三大部分。设备状态监测信息主要包括设备的运行状态数据、设备重要构件状态检测数据、以及设备软件系统的运行日志等；生产数据监测主要包含生产日志数据及其生产任务数据，这两部分信息之间没有公共信息，且均可进行适当的扩充；系统自定义数据检测是预留的一个信息描述接口，用于添加特殊的设备描述信息，譬如，只有生产商可见的当前设备运行次数等信息。

设备的监控可以抽象为对设备某一信息要素的提取，信息要素最直接的表示方式是以变量的形式体现，为方便操作人员的应用和理解，变量类型的定义应体现语义性、兼容性。根据上述要求本文将数据类型分为系统数据、配置数据、生产数据三部分，结合每种数据的存储状态将数据类型共分为6种如表1所示。

图2 设备信息模型

数据类型存储状态数据类型描述系统数据(设备历史存储数据流由设备流向监控系统并存入数据库(只读)自身相关信息)临时存储数据流由设备流入监控系统(只读)配置数据历史存储数据流由监控系统流入设备或客户端用于配置设备或监控终端(读写)临时存储用于实时控制设备或终端,数据流由由监控系统流入客户端或设备(读写)生产数据历史存储数据流由设备流入监控系统或终端并存入数据库(读写权限自定)临时存储数据流由设备流入监控系统或终端(读写权限自定)

图3 车间信息模型简图

2.1.2 车间信息模型创建

车间级信息模型主要由车间信息和车间设备信息两部分构成，根据车间业务执行流程信息和对非标检测设备车间信息的需求分析，得车间信息逻辑模型如图3所示。非标自动检测车间设备信息模型包括设备类型信息集、车间设备信息、车间管理信息、车间属性信息4部分。设备类型信息集中包含不同设备的信息模型，通过设备类型ID、设备类型名称、设备类型功能概述等信息实现设备类型的索引；车间设备信息包含当前车间设备的定义，通过设备ID、设备名称、设备类型ID、设备IP地址等信息的描述实现对该设备的索引和描述；车间管理信息描述了当前车间的运行状态以及健康状况从而对车间设备进行合理的管理与监控；车间属性信息主要描述了车间的基本信息，例如车间名称、车间隶属公司、车间位置、车间ID等信息。

2.2 数据采集存储关键技术的设计与实现

2.2.1 可配置的地址空间创建方法

车间信息模型包含车间及其车间设备的描述信息以及车间内对象相关性信息。车间信息建模需要使用面向对象的技术，其次类型层次结构以及节点引用类型应该具有良好的扩展性。以数据传输和信息建模为基础的OPCUA满足上述的要求，故用于车间信息模型的创建。地址空间是OPCUA中最重要的概念之一，地址空间由节点与引用、引用类型、对象、视图、对象类型、变量类型等构成，其中节点是地址空间最基本的单元，服务器程序中的功能均是基于节点实现的。车间描述文件编辑器根据车间信息模型的定义将车间信息与设备信息集成到一个XML文件中，此文件作为服务器程序的加载配置文件使用。文件加载后通过服务器程序中解析程序根据XML文件节点信息和属性信息创建地址空间中的节点，OPCUA中的引用类型实现地址空间节点间关系和配置文件节点关系的匹配，最终生成服务器地址空间，实现变量的可配置实现如图4所示。

图4 车间服务器地址空间简图

2.2.2 可配置的数据库创建方法

在服务器启动时，服务器程序连接数据库管理客户端，同时配置文件通过网络或拷贝的形式传入该端，数据库管理客户端会根据配置文件内的信息模型创建数据库如图5所示。配置创建过程及其表间关系如下：

(1)管理客户端解析设备类型信息模型，创建设备类型信息查询表，表内包含设备类型ID，设备类型名称、设备类型描述等信息;

(2)客户端根据每个设备类型的详细内容创建与之对应的设备类型表，该表定义了当前设备类型所包含的变量，表的内容包含变量ID、变量名称、变量类型、变量地址、变量权限等；

(3)管理客户端解析车间信息模型，创建车间信息查询表，表内包含车间ID、隶属公司、车间名称等；

(4)客户端根据配置文件和车间信息查询表创建每个车间的设备表，表内包含车间ID、设备ID、设备名称、设备类型ID、通讯协议等；

(5)客户端根据设备表中的变量和设备类型表创建每个设备的日志表，日志表包含数据保存时间、车间ID、设备ID、保存日志变量等数据；

(6)客户端创建其他用户自定义车间表。

图5 数据库表关系图

2.2.3 可扩展协议驱动模块创建方法

本系统为支持与不同通讯协议设备的通信，系统定义统一的数据采集接口，服务器程序内嵌协议驱动模块，通过统一数据接口和可扩充的通信协议库实现对服务器下的不同通信协议设备的数据刷新。配置文件定义当前设备的通信协议、数据的变量类型、名称、以及设备中的存储位置等信息，协议驱动模块根据文件中的信息匹配适合的通信协议驱动库并完成数据包的下发和数据包的接受解析等工作，接受后的数据包经过解析进入到OPCUA服务器对应的地址节点空间，客户端就可以通过标准OPCUA协议实现对节点空间的读取。

2.2.4 车间数据传输流程

普通监控客户端采用标准的OPCUA协议实现，这保证了数据的安全性和程序的稳定性，同时降低了开发客户端程序的费用。监控设备与远程客户端之间数据采集时的流程如下：

(1) 客户端使用Discovery服务集去查找OPCUA服务器并获取服务器终端信息。

(2) 客户端通过UA栈与服务器建立安全通道生成连接管理。

(3) 通过建立通道建立会话和关闭会话，然后实现对地址空间的读取和写入。除此之外，还可以订阅数据和事件实现会话。

(4) 当进行读取或写入地址空间数据时会同时触发服务器的事件，服务器会将具体的节点数据根据其所属的设备协议进行组包下发或者读取设备数据解析放入地址空间。

3 监控系统原型机开发

在本文描述的3C非标检测设备车间可配置监控系统的结构框架以及车间信息模型的基础上，基于QT平台采用C++语言构建服务器程序部分，基于.NET平台采用C#、C++完成客户端等最终完成该系统的原型构建并进行了验证。本监控系统原型机由车间级服务器程序，数据库管理客户端，普通监控终端，车间描述文件编辑器等构成，如图6所示。

图6 监控系统界面

本系统以手机零件检测设备所示为监控对象，车间内无加工工艺信息，只有设备监控变量、车间属性信息、操作人员信息，据此可得车间信息模型简化实例，如图7所示。本次测试的监控变量为设备检测合格产品数量var1及其不合格产品数量var2，车间描述文件编辑器可根据实际情况对车间信息模型实例化并生成XML文件。

图7 车间信息模型实例简图

OPCUA服务器程序的核心是地址空间的创建，系统服务器中关于OPCUA部分参考开源项目(Open62541)的C源码，通过修改后的源码创建车间服务器程序。服务器根据配置文件生成地址空间，服务器程序启动并完成设备监控变量与地址空间的映射，设备通过网络接入车间服务器，并实现监控变量的实时刷新，这使得监控系统针对监控变量等具有良好的可配置性。

服务器连接设备后，服务器程序会根据设备对应的设备协议驱动库加载设备的通信协议，最后通过统一的数据接口实现数据的上传和下发，这一数据接口是可扩展协议驱动模块的核心，通过继承此接口并完善相应的协议转换程序即可直接将新的协议驱动程序应用于此监控系统服务器，这使得监控系统具有良好的协议扩展性。

客户端通过网络连接车间服务器，车间服务器通过网络连接组态屏，实现远程网络客户端对设备的监控，标准的OPCUA客户端与服务器连接，实时显示监控数据，数据库客户端可根据监控数据对车间设备工作状况做进一步的分析生成统计图。

4 结束语

为解决非标设备车间监控信息配置不灵活以及异构设备通信协议不统一的问题，本文以非标自动化行业中的3C非标检测设备为研究对象，根据非标设备的特点研究了车间信息模型的设计方法，并应用此模型完成了地址空间的配置和数据库的生成配置工作，可扩展的协议驱动模块实现了服务器程序对不同通讯协议的兼容，开发了原型系统并对上述方法做了验证。实验结果表明该监控系统可以实现对多种不同通讯协议设备的监控，通过信息模型生成器可对监控信息灵活配置，该监控方案也可应用于其他复杂车间设备的监控。另外，此研究为资源优化、订单排产等功能的开发提供了统一的数据源。