基于OPC统一架构的毛衫生产车间信息模型及其应用

金贵阳， 陈 罡， 孙平范

(1. 宁波职业技术学院 智能装备研究所， 浙江 宁波 315806； 2. 宁波大学 机械工程与力学学院， 浙江 宁波 315210；3. 浙江机电职业技术学院 自动化学院， 浙江 杭州 310059； 4. 宁波慈星股份有限公司， 浙江 宁波 315336)

为应对新形势和挑战，我国政府提出了“中国制造2025”战略，服装行业也在重点推进，国内骨干服装生产制造企业纷纷试点了智能工厂、无人工厂、数字化车间等样板工程。但是，各个制造企业在建设数字化车间时，都根据自己的业务需求联合多家供应商构建车间的物理信息系统，各个供应商开发的系统通常采用不同的数据格式和定义，成为一个个信息孤岛，在进行各系统信息集成和传输时需要多次开发信息集成接口，费时费力效率低，存在极大的人力浪费；如果数字化车间在建设之前就先定义好交互信息的标准化模型，则制造企业生产执行系统(MES)、机器人等各系统可以直接通过网络实现互联互通互操作，新设备或新系统在支持统一协议和标准信息模型的前提下可以即插即用，无需再开发数据集成接口，简化了车间架构，可以大大节约数字化车间的开发成本。

对于解决车间信息孤岛、数据异构、系统集成与互联互通问题，国内外工业界和学术界进行了广泛研究和示范应用。ISA 95[1]定义了标准化的术语与模型，旨在解决企业系统与制造系统集成、车间系统之间的集成难题。机械信息管理开放系统联盟(MIMOSA)组织制定了OSA-EAI[2]与OSA-CBM[3]2个标准，对车间层的设备管理系统信息与功能做了标准化工作。OPC统一架构(UA)是工业4.0时代数字化车间的一个重要标准[4-5]，制定了复杂信息建模与安全通信标准，提供了一致、完整的地址空间和服务模型，解决了过去同一系统的信息不能以统一方式被访问的问题。德国机械设备制造业联合会(VDMA)基于OPC UA标准构建了多个行业的伴随标准[6]，如:VDMA 40010∶2019是关于工业机器人的信息和通信行业标准；VDMA 40100∶2020是关于机器视觉的信息和通信行业标准。各个设备和软件供应商可以在行业伴随标准的基础上构建自身产品标准的信息模型和通信接口，便于与外界互操作。禹鑫燚等[7]研究了基于OPC UA的数据采集系统，解决了工厂设备数据采集和统一监控难题。汪松松等[8]基于OPC UA构建了针织装备信息模型，并对其进行了互联互通测试，对各类针织装备信息建模提供了很好的指导。李锋等[9]以平幅连续生产车间为对象，研究和实现了纺织智能染整车间的信息模型，为纺织设备接入工业互联网奠定了基础。Liu等[10]采用OPC UA和数控设备互联通信标准(MTConnect)搭建了数控机床的物理信息数字孪生平台，支持数控机床设计、生产、使用和回收等全生命周期阶段的优化决策。Woonggy等[11]对工业监视与控制系统做了OPC UA封装，解决工业控制系统的多协议数据采集难题。Tiago等[12]使用OPC UA和时间敏感网络(TSN)技术开发了自动化实时智能决策原型平台，解决自动化系统异构数据的采集及高频大容量数据的实时获取和传输难题。

现有针对OPC UA标准信息模型的研究主要集中在自动化领域、产品或设备层面的标准信息建模，或者只是针对车间的某个局部进行建模，缺乏对整个车间尤其是毛衫生产车间的完整、通用的信息模型。数字化车间的信息规范严重滞后于数字化车间的实践，造成了重复建设和浪费。本文在ISA 95标准的基础上，将OPC UA应用于毛衫生产数字化车间，构建了车间的互联网络架构和标准信息模型，为车间各层级设备和系统间的信息交互提供一致的模型和接口，促进毛衫生产数字化车间的互联互通，有助于实现毛衫生产的智能化。

1 ISA 95国际标准与数字化车间

ISA 95是企业系统与控制系统集成标准，是数字化车间的重要标准，可以作为车间标准信息模型的基础。它将企业分为5个层次:L0、L1、L2层为设备控制层(包括批量、连续和离散控制);L3为制造执行层；L4为业务规划层。ISA 95对车间层定义了四大信息模型和四大功能模型：四大信息模型包括定义、能力、计划和性能模型，是制造执行层与业务规划层之间交互信息流的基础；四大功能模型包括生产运行管理、维护运行管理、质量运行管理和库存运行管理。对每种功能模型又定义了8种基本活动模型，包含定义管理、资源管理、详细计划、调度、执行、数据收集、分析与追踪。

2 OPC UA信息建模技术

OPC UA具有很强的信息建模能力，提供了丰富的数据语义，采用面向对象和面向服务技术实现不同系统间的安全可靠标准化信息交互。它的对象模型允许将数据、报警、事件和历史数据集成到一个OPC UA服务器的地址空间当中。如能够将一个温度测量设备视为一个具有温度值、报警参数和报警极限值的对象，OPC UA服务器则通过OPC UA服务(接口和方法)将对象集和相关信息开放给OPC UA客户端。

OPC UA信息模型由节点组成，基于元模型构建，元模型是各个节点之间相互引用的信息模型基础。OPC UA元模型定义了8种节点和对应的属性及建模规则，在元模型的基础上，各个行业组织可以根据自己的需求制定各个行业的伴随信息模型，供应商可以在伴随信息模型的基础上，针对特定用例构建特定的扩展信息模型。本文根据毛衫生产数字化车间的组织架构和内部各功能模块之间信息集成与互联互通的要求，建立毛衫生产数字化车间信息模型。车间信息模型结构包括属性元素、属性、属性集、方法、组件模型和引用，每个组件又包含对应属性及其他子组件，其层次结构如图1所示。车间信息模型对应整个车间，功能组件集对应车间各个功能模块，资源组件集代表各个模块涉及的各类资源；属性集表示属性的集合，属性是信息模型描述的基本单元，具有固定的结构，用来描述设备、组件、属性集、属性之间的关联关系[13]。

图1 OPC UA信息模型结构Fig.1 OPC UA information model structure

经过多年的发展，OPC UA已经成为生产型企业设备层与车间层互联互通事实上的标准。不同的组织提供了针对各种设备和系统的丰富的商业和开源OPC UA解决方案及开发工具，可以很大程度上降低OPC UA项目开发的难度和成本，现在存在的主要问题是开发人员比较紧缺。随着国内外各大自动化厂商在产品和系统中加入OPC UA功能，如国内包括华为技术有限公司、和利时科技集团有限公司、杭州优稳自动化系统有限公司、浙大中控技术股份有限公司等均已在其产品和系统中集成了OPC UA功能，未来参与OPC UA开发的工程师会越来越多。毛衫相关行业也已开始应用OPC UA相关技术，如胡旭东等[4]从2016年就开始制定《针织机械联网通信规范》系列标准，采用OPC UA标准框架构建针织机械联网通信框架；针对圆纬机、电脑横机、经编机分别构建了信息模型，定义针织毛衫等机械互联互通语义；并针对大量低配置低成本的针织机械，构建OPC UA信息网关，通过标准的底层传输模式将其接入OPC UA信息网关，再将信息统一传输给车间层系统。宁波慈星股份有限公司也开始在其全成形横机产品上试验集成OPC UA功能，以便对外提供横机生产和状态相关的丰富的语义信息。

3 毛衫生产数字化车间互联网络架构

3.1 数字化车间功能体系

毛衫生产企业符合ISA 95标准定义的功能体系、层级结构和对象模型。毛衫生产数字化车间以物理车间为载体，以软件技术等为方法，通过网络连接毛衫生产过程中的不同单元，对毛衫的生产进行计划、调度、管理和优化，实现多品种小批量的毛衫定制化生产。

毛衫生产数字化车间主要涵盖毛衫生产过程，分为设备/控制层、生产执行层、企业业务计划层。生产执行层管理毛衫生产过程中的各类业务、活动或资产，如生产运行管理、物流运行管理、质量运行管理、维护运行管理等模块。毛衫生产以生产执行系统(MES)为核心，根据企业资源管理系统(ERP)生产计划的指导，按照订单的优先级、设备能力、机器负荷状况、物料齐套状况、设备毛衫款型适应清单等约束对订单生产作业进行计划调度、资源调配、产品质量监控等工作，从而实现毛衫生产自动化、数字化和智能化，减少人工干预，提高生产效率，降低管理成本。

3.2 数字化车间信息交互网络架构

毛衫生产智能数字化车间互联网络中可使用OPC UA实现不同层级系统、设备之间的信息集成与交换，如图2所示。通过OPC UA可实现现场设备与现场设备之间、现场设备与控制设备之间、控制设备与MES之间、MES与ERP/PDM/SCM等系统之间可靠有效地信息通信与集成应用，降低毛衫生产数字化车间系统开发成本，提高运行可靠性和方便车间快速重构，推动毛衫生产车间技术快速提升。

注：CAPP为智能工业系统，PDM为产品数据工业系统， ERP为企业资源管理系统，SCM为供应链管理系统。图2 基于OPC UA的毛衫生产车间信息交互网络架构Fig.2 OPC UA based interconnected network architecture in sweater production digital workshop

4 毛衫生产车间信息模型的构建

参考ISA 95和GB/T 37928—2019《数字化车间 机床制造 信息模型》，对毛衫生产数字化车间的集成信息进行梳理，采用OPC UA建模方法，得到毛衫车间标准信息模型,如图3所示。

该毛衫车间标准信息模型主要由以下几部分组成：

1)毛衫生产数字化车间基础信息模型，包括车间静态属性集和车间过程属性集。车间静态属性集定义毛衫生产车间的基础静态数据，包括车间基础定义信息(如车间名称、车间位置、车间负责人等信息)、生产组织(如部门、班组等信息)、产品订单(MES从ERP系统获取的订单信息)；车间过程属性集定义车间的过程动态数据，一般为车间各方面的汇总统计数据和车间订单跟踪信息，用于向ERP系统反馈，主要包括订单跟踪、生产统计、质量统计、库存统计、维护统计等对象。

2)毛衫生产数字化车间生产运行管理信息模型，包括生产运行管理静态属性集、过程属性集和生产资源组件集。生产运行管理静态属性集定义生产过程中涉及的静态信息的集合，包括产品物料清单、产品/衣片生产计划、产品/衣片加工工艺、衣片花版文件等；生产运行管理过程属性集定义毛衫产品及其衣片生产过程中产生的信息对象及其数据属性，包括的信息对象有物料请求、加工派工单、作业实绩信息、生产计划跟踪等；生产资源组件集定义毛衫生产相关的设备、工装、人员等的信息模型，包括的信息对象有电脑横机信息、机器人信息、缝合机信息、罗拉车信息等。

图3 毛衫生产数字化车间标准信息模型架构示意图Fig.3 Information model architecture of sweater production digital workshop

3)毛衫生产数字化车间维护运行管理信息模型，包括维护运行管理静态属性集、过程属性集和维护资源组件集。维护运行管理静态属性集定义了设备的日常管理和维修维护功能所需的静态信息模型对象及其属性集，包括设备台账、工装台账、设备保养规范、设备点检规范等信息对象；维护运行管理过程属性集定义设备在故障报警、故障报修等过程中产生的故障信息、维护维修指令和过程记录数据，包含的主要信息对象有设备点检、设备保养、设备故障、设备维修、设备绩效等；维护资源组件集包含维护工具信息、维护备件信息、维护人员信息等信息对象。

4)毛衫生产数字化车间质量运行管理信息模型，包括质量运行管理静态属性集、过程属性集和质量资源组件集。质量运行管理静态属性集定义毛衫整衣、衣片生产过程中涉及的质量检验功能相关的静态信息模型对象及其属性集，包含成品质量定义、衣片质量定义、缺陷定义、质检计划等模型对象；质量运行管理过程属性集定义成衣、衣片生产过程中涉及的质量检验过程执行及其结果相关的过程信息模型对象及其属性集，包含质检派工单、质检执行、质检计划跟踪、质检结果统计等信息对象；质量资源组件集包含质检设备、质检工具、质检人员等信息对象。

5)毛衫生产数字化车间库存运行管理信息模型，包括库存运行管理静态属性集、过程属性集和库存资源组件集。库存运行管理静态属性集定义数字化车间运行过程中与物流管理、出入库和配送相关的静态信息集合，包含物流基础信息、物料采购计划、物料齐套信息、物料生产计划等信息对象；库存运行管理过程属性集定义毛衫生产过程中涉及的物料分派、出入库等动态行为产生的信息对象及其属性集，包含物料入库、物料出库、物料移库、物料配送等信息对象；库存资源组件集包含仓库、物流设备、物流工具、物流人员等信息对象。

5 信息模型在毛衫样板车间中的应用

5.1 慈星毛衫生产数字化样板车间简介

宁波慈星股份有限公司本着“工业4.0”和“互联网+”的创新理念，建设了毛衫智能工厂数字化样板车间。整个数字化车间由160台电脑横机，30台缝合机，86台自动剪线、倒缝罗拉车，2套智能吊挂系统，2套机器人自动化生产线及其他一些辅助设备等硬件组成。软件包含CAPP、数字化设计系统(CAD/CAM)、PDM、ERP、MES等。数字化样板车间软件、硬件总投资8 000万元，实现的目标是生产过程可控、生产质量可控、兼顾生产效率，即通过信息化、数字化、智能化的生产过程，尽量减少人工干预，确保每件定制化产品高效、高质、准时、可靠地生产。样板车间的核心是MES系统，其主要模块包括业务管理、采购管理、仓库管理、生产管理、设备管理、质量管理，通过它们与其他系统产生信息交互，毛衫个性化订单的生产流程和信息流动如图4所示。

图4 毛衫个性化订单数字化车间生产流程Fig.4 Sweater personalized order digital workshop production process

业务管理模块主要管理客户订单获取，可以从电商平台获取订单和手工录入订单，同时获取订单的个性化信息。订单的物料清单(BOM)与工艺从CAPP同步生成，BOM用于生产的准确配料，工艺主要包含织造过程的工艺路线、工序工艺要求、花版文件等。订单BOM与工艺维护完成后，通过ERP系统的物料需求计划(MRP)模块结合PDM系统运算，考虑库存和预计量生成采购计划，进入采购管理模块执行采购业务流程。业务(计划)管理系统内部与采购、仓库、生产MES、销售、财务等系统紧密集成，外部与电子商务平台、智能工艺系统集成，将订单执行状态信息与出运结算信息传递到电子商务平台。生产管理模块从业务管理模块获得客户订单以及相应的加工工艺文件，通过智能排程系统把生产任务分发下达到电脑横机，通过毛纱配料管理利用智能吊挂系统把不同任务单的原料纱准确地送达相应的横机机位，同时把对应任务单的花版文件下载到相应的横机上以准确地按订单要求进行编织；织片完成后用电子标签(RFID)与订单绑定，通过智能吊挂系统根据不同订单所设定的工艺路线依次输送到相应的工位，同时相应工位的工艺文件自动下载并在工位液晶屏上显示以指导该工序工作，在完成片检—套口—手缝—灯照等工序后，成衣离开吊挂系统进入后整理，通过加订水洗标与订单绑定，经过洗水—熨整—钉扣—成检包装贴条码，最后打印快递单发运交付客户。整个毛衫生产样板车间涉及了很多业务流程，需要多个系统、多个设备、多个人员之间协作完成，系统之间需要交互大量的信息，本文采用构建的毛衫生产数字化车间OPC UA标准信息模型对样板车间的信息进行了标准化，保证各系统之间高效地实现信息互操作。

5.2 信息模型实例化

整个车间信息模型的实例化示范比较复杂，而电脑横机是毛衫生产车间最重要的生产设备，本文以电脑横机为对象研究信息模型的实例化。信息模型实例化即将抽象的信息模型实例化为实际的数据对象。图5示出电脑横机标准化信息模型，包括静态属性集、过程属性集和部件组件集，受篇幅限制，只画出了部分模型。静态属性集主要包括横机的基本信息(型号、机器编号、机器名称、机器厂家等)、工作参数(速度表、牵拉拉力表、度目表等)、配置参数(针距、机头类型、牵拉装置等)、性能参数(最大编织速度、最大编织幅度、最大密度等)等，过程属性集包括运行信息(在制款号、在制生产单号、颜色、工序、尺码等)、产量信息(设定件数、已织数量、未织数量等)、报警信息(天线台断纱、储纱器报警、落布检测错误等)、班产信息(班组编号、值班人员、当前班组生产时间、当前班组停车时间等)，此外还有电脑横机子系统的信息模型，包含电动机系统、编织系统等。信息模型的使用过程就是实例化过程，主要是对电脑横机的静态属性集和过程属性集中的各类信息对象进行实例化，本质是对电脑横机信息模型中的各类属性填入具体的数据。

图5 电脑横机标准化信息模型Fig.5 Standard information model of computerized flat knitting machine

5.3 信息模型应用案例

信息模型中定义的对象及其属性集的实际数据可采用集中式存储的实现方式，即存储于一个统一的数据库；也可以采用分布式存储的实现方式，将各子信息模型的数据存储于车间内相关系统内，如CAPP、ERP、PDM、MES等系统，资源设备的信息模型数据可直接存储于该设备自身的控制器中。本文涉及的项目是新建立的车间，信息系统可提前规划，因此采用分布式存储方式。采用Open62541开放源代码在电脑横机的控制器中开发了OPC UA服务器，将电脑横机信息模型加载到OPC UA服务器地址空间当中。电脑横机节点地址空间模型如图6所示，其中“Root”根节点是地址空间的入口；“Types”类型节点包含了服务器中用到的所有类型节点；“Views”节点是地址空间的一个子集；“Objects”对象节点下面表示了实际设备信息在地址空间的组织，是地址空间的主体，电脑横机信息模型定义的内容就包含在此节点下，如电脑横机相关的静态属性信息、过程属性信息、各子系统信息，电脑横机在毛衫编织过程中，生产相关的信息都会定时更新到横机OPC UA服务器的地址空间当中，提供给外部系统使用。

电脑横机运行信息是毛衫生产数字化车间的数据来源和基础，有了横机OPC UA服务器，ERP、MES等系统可以通过OPC UA客户端方便地获取电脑横机相关信息。图7示出毛衫生产数字化车间MES系统生产管理功能中的单台电脑横机生产信息监控界面，界面中监控项目的数据来源于电脑横机的OPC UA服务器，界面中主要显示了班产信息、订单信息、产量信息、运行信息和报警信息等部分。车间MES系统采用C#语言，基于Visual Studio和.NET Framework框架设计开发，在涉及到电脑横机OPC UA服务器数据获取时，使用UA-NET.Standard客户端软件开发工具包(SDK)编写相应程序，不需深入理解OPC UA服务器和客户端的实现原理，可以实现系统的快速搭建。

图6 电脑横机节点地址空间模型Fig.6 Node address space model of knitting machine

图7 电脑横机单机看板Fig.7 Information interface of single computerized flat knitting machine

6 结束语

标准信息模型是实现企业设备层、控制层、企业层之间互联互通互操作的基础，本文构建了毛衫生产车间标准信息模型并对其进行了应用。在OPC统一架构元模型的基础上，给出了车间标准信息模型层次结构；提出了基于OPC统一架构客户端和服务器的毛衫生产数字化车间的信息交互网络架构，为毛衫生产车间数据的语义交互提供了架构基础。从生产运行管理、维护运行管理、质量运行管理、库存运行管理4个维度，构建了毛衫生产车间的标准信息模型，并将其应用于宁波慈星股份有限公司毛衫生产数字化样板车间之中。介绍了毛衫个性化定制生产流程，鉴于整个生产流程和毛衫生产车间标准信息模型的复杂性，以电脑横机信息模型实例化和OPC统一架构服务器开发为例，验证了MES系统与电脑横机之间的信息集成与互联互通。验证结果表明，基于OPC统一架构的信息建模技术与交互架构，降低了毛衫生产车间数字化系统集成难度和开发成本，提高了毛衫生产的效率，对其他纺织品生产数字化车间的建设也具有参考价值。