OPC统一架构框架下的针织装备信息模型

2021-01-05汪松松彭来湖胡旭东

纺织学报 2020年5期

汪松松，彭来湖，胡旭东

(1. 浙江理工大学国际教育学院，浙江杭州 310018； 2. 浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室，浙江杭州 310018)

以OPC统一架构(OPC UA)标准为代表的标准化信息建模技术在工业装备领域获得广泛研究[1]，并在数字化车间建设中的自动化装备和系统之间集成方面具有较成熟的实例化应用场景[2-3]，使得分布于不同生产制造环节的设备和系统不再是信息孤岛，信息交互从底层设备层贯穿至控制层和管理层网络[4]，为工业生产提供了一种较为统一的信息模型交互操作方案。另外，通过构建服务架构[5]、信息模型转化与映射[6-7]、信息交互文件模式[8]等方法，并基于OPC UA的软件开发工具包(SDK)[9]，降低了OPC UA信息模型的实例化的技术门槛，使OPC UA标准易于技术实现。

在针织装备的信息化进程中，目前主要以纵向的生产管理智能化等为重点发展方向[10-11]，通过数据网络将针织装备与制造执行系统(MES)[12]、数据采集与监视控制系统(SCADA)等联通，对装备状态、生产、工艺、花型等数据进行在线监测与远程控制[13]。在针织装备互联网络的信息交互过程中[14]，其基本属性信息与生产过程信息的交互是实现互联互通操作的数据基础，而大部分针织装备信息结构化层度低，没有统一的规范，形成了碎片化、半结构化和信息异构特征,降低了信息语义的互通性。另外，针织装备缺乏通用的信息模型结构构建与表示方法，无法形成标准化针织装备信息模型，难以提高针织装备信息模型的完备性，也最终导致了针织制造装备与生产管理系统之间的信息互操作能力低。

本文针对针织装备信息模型构建技术展开研究。通过研究结构化语义信息维度和针织装备信息模型结构与建模方法，采用形式化的信息模型构建过程，实现基于OPC UA的针织装备实例化建模，并构建了针织装备组件集与属性集，对信息模型结构属性进行优化；通过针织装备模型标准化开发与实验，以期为各类针织装备信息建模提供指导。

1 针织装备信息模型结构与建模方法

1.1 结构化语义信息

针对针织装备数据量大、且数据类型多的问题，要了解交互数据的语义，就务必要求通信双方具有相同规范的数据传输格式和编解码语义系统；更进一步，如果要解析数据提供方所提供的数据其内在联系、动态操作功能等则对信息供给侧提出了更高的要求。为此，将针织装备信息供给侧信息集群有机地组织起来，明确各数据间的网络关系，以构建信息供给侧的标准化信息模型，以供信息接收方能理解其数据的语义与数据间的关系。

把针织装备信息分为3个维度：一是信息表示维度，即具体数值；二是语义维度，即每个信息所代表的组件含义，如单位、描述、范围、数据类型等；三是关系维度，即信息点间的结构关系，如集合关系、线性关系、树状(层次)关系、网络关系等。这3个信息维度是针织设备信息因子中不可缺少的方面，只有信息表示1个维度则无法解码，并无法获得更多的关系信息。反之，各个维度上表达的信息量越丰富，则针织装备的语义越完备。

1.2 基于OPC UA框架的信息模型建模方法

采用OPC UA标准化框架信息节点的单位、语义等因素，利用网状地址空间模型结构表述信息任意节点间的关系，解决建模涉及的针织装备3个信息维度，规范数据传输的通信协议，构建完整、统一的针织装备信息模型，将实时数据、历史数据、报警等开发成规范化信息接口。采用针织装备车间建模时，设计的主要非形式化的过程如下。

1)图1示出装备信息基础模型。选择OPC UA作为建模方法，分析装备数字化结构，明确各维度上的组成，以确定建模覆盖范围。

图1 装备信息模型基础结构Fig.1 Equipment information model infrastructure

2)根据上层管理系统对生产数据的需求与装备物理结构，自上而下对整个针织装备数据进行分解，以得到低耦合、高类聚的若干分析域，即将一个大而复杂的信息模型按照装备生产子系统划分为组件集、组件等单元，从而让装备的信息管理模块化，其中组件集又包含若干组件单元。

3)对装备各组件进行数字化，依据生产过程数据及各组件的本身属性参数，建立属性集，确定各属性的数据类型、读写属性、单位、值域范围、是否必选等属性元素,从而形成详细的信息模型数据字典、数据库等表现形式。

依据上述建模过程，形成针织装备组件集与属性集，并通过迭代以提高信息模型的语义完备度。

2 针织装备的OPC UA实例化建模

2.1 数字化针织生产车间模型分析

针织生产车间并没有统一的信息模型，但从智能制造体系的一般结构来看，从信息的上下流动分为设备层、执行层和资源层，与针织生产的设备层、车间层、企业层相对应，如图2所示。设备层是车间生产信息模型的信息源，在针织生产中，针织装备自动化程度高，物流搬运等辅助生产设备则配置数量少，一般由专人看管操作。在执行层中，主要为基于MES的管理，一方面对设备层的生产过程数据进行全面的监视，向设备层发布生产计划指令，并根据各针织装备的生产效率与产量进行生产调度；人员的管理通过在针织机上刷卡实施；工艺花型管理则由MES系统向针织机械控制系统下发；每台针织设备都提供编织质量的实时监控功能，MES的管理以针织设备为主。在资源层上，企业ERP则通过MES系统实现企业战略的执行与监控。

图2 针织生产车间信息模型结构Fig.2 Knitting workshop information model structure

从生产车间管理过程角度来看，针织车间的执行层与设备层之间的交互信息是针织装备生产过程中的关键数据，主要信息单元为设备管理、生产计划与调度、人员管理、质量控制与追溯、工艺执行管理等，为针织信息模型的构建提供了针织装备生产运行信息的关键子集。

2.2 基于形式化的信息模型构建过程

从针织装备的机械机构上分析，一般包括送纱器、气阀、织针、针筒、选针器、伺服电机等部件，各组件单元有其自身的技术参数属性；另一方面，针织装备的厂家信息、设备标号、各部件的数量及配置等也是针织装备的基础信息。

不失一般性，提出将OPC UA信息模型通用建模规则和针织装备的生产运行信息与基础信息相映射，如图3所示。针织装备的信息模型是由若干部件、固有属性、生产过程属性以及各类操作组成的，每个部件又可以包含其它子部件和属性。由于OPC UA模型天然适应工业设备的建模与扩展，它通过属性、属性集、组件、组件集、设备、方法、方法集、引用等元素，完整映射了针织装备的一切信息，包括静态信息和动态信息。

图3 针织装备与OPC UA信息模型元素的映射Fig.3 Mapping of knitting machine and OPC UA information model elements

为了解决目前非形式化建模过程，保证针织装备信息模型与设备本体的一致性，提出从非形式化、形式化、实例化的持续演进方法来动态构建。根据管理系统的需求和本体元模型规范，理论模型构建过程如图4所示。在保证针织装备语义信息模型完备性的同时，也兼顾工程实施的可行性，针对网状信息关系，并通过降维方法生成树状关系模型。

首先收集针织制造领域信息而实现非形式化建模；然后通过建模修订、元模型选取、关系迭代等过程建立形式化针织装备模型群；最后生成针织装备信息模型实例。构建信息模型网状图结构，全面表示信息节点之间的关系，但其模型关系度的复杂性也制约了模型的表示与实现，通过针织装备信息模型关系生成树方法，生成树状结构信息模型，以便信息的交互，构建步骤如下：

1)对针织制造领域内生产装备进行信息化初始表示。采用非形式化的信息描述，列举出该领域中的所有概念以及对该概念的详细解释。除此之外，针对每个概念，要列出它所有可能的属性，每个属性都有对应的属性值。通过领域概念学习、公理化分析，实现领域概念关系库，并通过评价、再学习的循环迭代机制实现针织制造领域非形式化元模型概念集。提取各概念集共性，根据信息模型规则建立针织制造领域基本模型概念属性集。每次迭代增加针织领域概念信息节点时，判断其已有的信息节点的关系，形成关系库。

图4 针织装备语义信息模型构建的演进过程Fig.4 Evolution of knitting machine semantic information model construction

2)依据针织制造领域元模型，构建针织制造装备信息节点集，形成针织制造装备本体信息模型群。依据规则集建立信息节点属性集，形成针织装备信息节点网络关系空间，建立信息节点i到信息节点j的关系度con(i,j)：

con(i,j)=∑conk(i,j)×wk

关系度由数据的变化活跃度、各种关系结构及权值wk构成。其中，k为子权值序号。

3)建立针织装备基本模型信息节点集，建立针织装备基本模型网状结构，生成加权有向图GD=(V，con(G))，V为增设全局关系节点a0的信息节点属性集{a0，a1，a2，…，an}，以保证任何信息节点是相连的，且关系矩阵为：

4)重复(2)～(3)步骤，直至针织装备基本模型群在当前服务集认知域中是完备的。

5)构建针织装备信息模型生成树T和新关系矩阵con(T)。信息模型有向图信息节点间路径的不确定性也导致了信息空间信息量的增加，无法实现信息模型根节点到叶节点的唯一性，尤其针对信息处理资源受限的针织装备，对信息表示造成了严重负担。为此，通过赋权有向图构建生成树，建立基于根节点和广度优先的生成树，对网状空间信息节点有向图向树状图进行转换，最终生成针织装备信息模型生成树T和新关系矩阵con(T)，降低了针织装备信息模型的复杂度，以提高信息模型的交互能力。

2.3 针织装备组件集与属性集

通过对各针织装备共性结构与生产过程进行抽象分析，组建包括基础静态属性集、生产过程属性集、配置信息、部件信息和生产环境信息的针织装备信息模型如图5所示，主要包括以下几部分。

图5 针织装备信息模型Fig.5 Knitting machine information model

1)基础静态属性集包括装备信息属性集、主控信息属性集、人机交互信息属性集、工厂信息属性集等，基础静态属性集反映了针织装备的类型、厂家、系统属性等静态属性，是基础的固定属性。

2)生产过程属性集反映针织装备在实际运行过程中的状态、运行参数等过程信息，包括产品订单信息、生产计划、花型信息、编织信息、班次信息、人员管理信息等动态属性集，并通过速度、产量、时间、状态、人员执勤等变化属性来描述整个针织自动化生产过程，是针织装备属性集的核心部分。另外，针织车间生产环境对织物坯布的质量会产生一定的影响，考虑将温度、湿度、震动属性等环境信息纳入针织装备信息模型中，将对针织生产过程与质量评价提供更加丰富的数据。

3)配置信息主要包括针织装备的联网配置，涉及网络通信时所需要的时区、联网IP与端口号、通信协议版本、登录账号与密码等相关信息。进一步地，网络配置信息也是上层管理系统识别针织装备的主要方式。

4)部件集主要包括配电、电动机、气阀、选针器等针织装备子部件，各子部件又可扩展成递归式的子属性集和子部件。

最后，根据OPC UA数据字典的需求及通用规范，在针织装备信息模型底层的属性中，构建了针织装备属性元素结构，如图6所示。

图6 针织装备属性元素结构Fig.6 Knitting machine attribute element structure

每一个属性都由多个属性元素组成，属性元素是描述物理设备、部件的最小单元。对基础静态属性、生产过程属性、配置信息、部件集、环境信息等属性建立数据字典，包含属性元素数据，通过属性ID与名称来标识属性，访问权限、高低限值来保证了数据安全，针织装备典型的属性如表1所示。

表1 针织机装备典型属性Tab.1 Typical properties of knitting machine

3 针织装备信息模型优化

3.1 考虑数值变化频度的属性

OPC UA信息模型的属性集主要分为静态属性集与动态属性集，依据装备对象的数值变化频度，采用两种不同的采样周期，降低OPC UA服务器的信息存储，而又能提供准确的信息模型历史数据。

考虑到针织装备的生产过程属性中属性较多，其中圆纬机和经编机达到100项以上，各动态属性中各数据的变化频度也有很大区别，对采样频率与方式进行优化。如针织装备的产量在每分钟会有累增，速度也会在以秒级变化，上层系统对针织装备生产过程各属性集数据的采集频率也过于统一，如果采集频率过高则对数据处理与通信造成负担，对历史数据存储造成冗余，采集频率过低，则无法反映针织生产过程；因此，可对每一属性采用不同的采样频率或针织装备的属性变化数据主动上报方式，可提高针织装备信息模型数据库系统的使用效率，而并不增加信息模型的额外负担。

3.2 考虑优先级的数据属性

考虑到网络资源受限，针对实时信息并发传输时，基于工业实时网络的要求，根据针织车间执行层管理系统对针织装备各属性的实时性、可靠性等质量要求的差异性，信息模型属性数据按优先级排队发送，如装备状态数据是管理系统实时关注的，则优先传输，而订阅的生产速度、产量则可靠后转发。因此，对针织装备属性增加质量元素，采用“至少一次”传输指令性设置参数数据，保证属性数据的正确可靠，而采用“只有一次”模式按频率传输一般动态属性数据，对网络配置认证类初始数据采用“最多一次”模式，提高了联网的安全能力。

3.3 属性间相关性分析

由于针织装备信息模型属性之间并不是完全解耦的，如针织装备运行状态是针织车间执行层管理系统非常关注的变量，但与针织装备运行速度相关性高，速度为0 r/min时则状态为停车，速度高于一定阈值则为运行状态、速度高于一定阈值则为点动等，针织装备运行状态与速度范围一一对应，即通过速度情况则可行到装备状态，而无需状态属性的值。同样，预设产量、已完成量和未完成量是线性相关的；总停车时间、运行时间和时间效率成运算关系等。属性间的高关联度降低了针织装备信息模型的表达效率，容易引起数据间的不一致性，过多的冗余数据也会造成网络传输负担，引起管理系统的混乱，但属性间一定关联度也可帮助管理系统对针织装备信息模型的准确性进行验证。因此，设计适当的针织装备冗余属性以提高信息模型的可靠性。

针对基于OPC UA的针织装备信息模型，可对属性元素进行改进，增加频度、优先级、相关性等元素，改进后的针织装备属性结构如图7所示。

图7 改进后的针织装备属性元素结构Fig.7 Improved knitting machine attribute element structure

图8 针织装备信息模型服务器结构Fig.8 Server structure of knitting machine information model

4 针织装备模型标准化开发与实验

4.1 基于OPC UA的互联互通结构开发方法

采用OPC UA标准化建模方法，以针织装备基础数据为基本属性对象，从下至上构造包括数据、信息模型、地址空间模型的针织装备信息模型服务器，并采用HasChild、HasSubtype、HasSubdevice引用类型，如图8所示。根据节点类及其属性来定义元模型，向OPC UA客户端提供读写功能。从技术开发上分析，信息模型中节点、引用关系等异常复杂，围绕地址空间、服务模型与针织装备的内在联系进行并行设计与开发时，工程量大，而选择采用OPC UA的成熟、可裁的SDK开发，可降低开发成本，提高开发速度。考虑到OPC UA服务器与针织装备的贴合度与企业需求，有开发独立服务器、数据网关、完全融合等方法。

1)开发独立服务器方式。把针织装备OPC UA服务器作为基于普通计算机的可独立执行程序的一部分，基于Windows的SDK开发，可根据针织装备信息模型数据字典进行可视化的二次开发，通过针织装备OPC UA客户端可与企业MES等软件实现互联互通。另外，一个服务器平台可连接多台针织装备终端，以实现大规模针织生产设备间的互联互通，整体结构如图9所示。开发独立服务器方式较容易实现，适用面广，是实现基于OPC UA的针织装备信息模型的主要方式。

图9 OPC UA独立系统Fig.9 OPC UA independent system

2)开发OPC UA数据网关方式。在对现役针织装备进行改造升级时，由于针织装备间没有统一的互联互通接口，可开发基于嵌入式系统的OPC UA的数据网关。其对上层MES系统采用统一的通信接口，有统一的通信协议，向下则采用独立的总线或者特定接口，以接入现役设备，采集现有针织装备信息模型数据，对车间MES管理系统提供OPC UA服务器功能。

3)OPC UA与电控系统完全融合方式。理想的针织装备信息模型服务则为直接嵌入在装备本身的控制系统功能中，与OPC UA的信息模型达到完全的融合，无需其它网关进行转换，OPC UA客户端则可直接与针织装备控制系统进行通信。针织装备种类多，各控制系统平台也各不相同，需要基于针织信息模型对OPC数据、信息模型、地址空间、引用等进行深入开发，目前主要用于价格昂贵的大型针织装备上。

无论是基于独立服务器、数据网关还是完全融合，需根据各针织装备的特点进行分析，常常是多种方式共用，连接拓扑如图10所示。