基于OPC UA的挤出生产线数据采集与监控系统

王小友，廖映华，王华，张宇航

(四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000)

0 前言

挤出成型是塑料加工最主要的形式之一，可以通过更换不同的成型模具和辅机实现薄膜、片材、管材、异型材等不同类型塑料制品的连续化生产，适用于绝大多数热塑性塑料，50%的塑料制品是通过挤出成型完成的[1]。目前，国内外大多数塑料挤出加工车间设备多元化，各装备的数据通信协议不一致，车间子系统分散，控制网络结构差异较大[2]，导致现有的绝大多数挤出生产线数据采集仍停留在设备层的单一数据监控，对车间上层业务系统的监控管理难以提供有效的数据支持。传统的生产过程监控、设备管理维护模式严重阻碍了我国塑料加工车间信息化、集成化发展，难以满足现代化生产对数据共享的需求[3]。为了提升挤出制品的质量与生产效率，塑料制品生产企业对生产过程中挤出装备运行数据的采集与监控需求日益强烈，塑料成型装备也向着高效智能化发展[4]。为此需要新一代技术框架来满足互联互通互操作、信息集成等要求。为了顺应企业和用户需要，OPC基金会推出OPC统一架构，即OPC UA，它为品牌、型号各异的设备提供一种简单且统一的接口，保证设备间能够交互通信，主要用于解决当前工业控制领域中存在的兼容性、开放性、通用性等难题，对于设备的数据采集与监控简单可靠[5]。以传统挤出生产车间数字化转型为载体，以挤出机生产线为研究对象，提出一种基于OPC UA的挤出生产线组成设备数据统一采集和集中监控方案，实现对不同挤出生产线生产过程数据的实时采集和集中监控。这些研究有助于提高车间设备的生产效率和信息化水平，对实现向数字化车间转型具有重要的意义。

1 系统总体方案设计

1.1 系统功能需求分析

面对目前传统挤出加工车间监控系统存在的诸多问题，企业迫切需要一种面向生产车间多源异构设备特点的数据通信模式和监控系统架构，以实现上层业务系统的信息集成和设备互联互通，提升车间生产线的监控管理水平，提高车间生产效益和企业竞争力。为此，将OPC UA应用于挤出加工生产线监控系统中，通过对车间生产线组成进行分析，借鉴国内外机械制造加工车间监控系统开发相关研究，归纳出基于OPC UA的挤出加工生产线监控系统的总体需求如下：

(1)现场数据互联互通。车间生产线自动化设备作业方式往往比较单一，不同程度形成信息孤立点，需要把分布在生产线的各种数据信息连接并集中到一起，防止“信息孤岛”产生，从而使设备与设备之间实现信息共享，协同生产[6]。

(2)数据通信统一化。生产线自动化设备数据接口和通信协议各种各样，难以用统一的方式采集数据，使得设备兼容性和数据通信得不到保证。系统需要解决不同设备数据通信兼容性问题，提供一个统一的数据访问标准，降低访问数据过程的复杂程度。

(3)应用系统信息集成。传统挤出加工车间在往数字化、信息化车间转型升级时会根据自身情况实施企业级信息管理系统，如MES、ERP等，但由于难以实现对车间多种异构数据的集中处理，造成设备层与企业信息管理系统之间沟通受阻，上层指定的生产管理计划难以落实到生产线中。因此，系统应具备与上层业务系统进行数据共享和数据集成的能力，为上层业务系统提供全面有效的数据支持[7]。

(4)可拓展、可通用。在引进新设备、改造旧设备时，监控系统需要良好的拓展性和通用性，只需对系统稍加改动便能兼容其他各种类型和型号的设备，实现对新环境的监测管理[8]。

(5)数据可视化监测。挤出加工生产线制造信息传输滞后、数据不完备，造成设备利用率低，难以对车间进行有效的管理[9]。有必要建立数据互联互通的挤出加工生产线监控系统，实现对车间生产线实时数据的可视化、透明化监控。

1.2 系统总体架构设计

根据系统的需求分析，结合OPC UA技术规范，将整体系统划分为4个层次，分别为物理层、服务层、信息层和应用层。总体框架如图1所示，具体如下所述：

图1 系统总体框架

物理层主要包括不同类型的挤出机、辅助系统、冷却加热系统，需要集中监控的主要有主电机和喂料电机、电机驱动变频器、传感器、各类仪表等，设备控制系统类型有西门子、三菱、欧姆龙等，各类设备通过以太网接口与车间局域网连接。

服务层主要搭建OPC UA服务器，是数据采集模块，负责将底层设备生产过程中所产生的数据统一采集并描述为含有OPC UA格式的语义信息源模型，然后映射到OPC UA服务器地址空间节点中，将不同控制系统专有的协议转化为统一的OPCUA的协议，并为上层预留一致性的访问接口。

信息层主要通过OPC UA标准规范开发OPC UA客户端对接OPC UA服务器，通过服务器访问接口获取地址空间生产数据和其他数据信息，对数据类型进行分析处理，连接数据库存储历史数据，为系统的其他功能提供数据支持。

应用层是数据的最终展现形式，通过其他3个层次的服务与支持，为应用层系统各个功能模块提供直观的信息显示，并对管理人员的操作进行响应。

1.3 系统的总体网络结构

分析智能制造系统功能和组织架构是建立制造加工车间系统网络结构的基础，在此基础之上，结合系统功能需求和数字化车间层次结构，提出挤出加工车间数据采集网络连接架构，如图2所示。

生产车间底层设备均有以太网接口，对于未拥有上位机系统的设备使用现场总线实现内部组网并连接控制器，然后与具备上位机系统的设备通过工业以太网与总OPC UA服务器连接。OPC UA服务器将数据汇总后为客户端提供实时的数据支持并保存到数据库中。另外，车间层需要通过局域网连接到企业服务器，实现上层业务系统对底层数据的交互应用和数据集成。

图2 系统网络连接架构

2 OPC UA服务器的设计与实现

2.1 OPC UA服务器地址空间信息模型

信息模型是统一底层数据信息接口和实现设备与系统之间互联互通的核心基础。对于监控系统而言，设备的互联互通和设备内部信息的标准化是衡量系统功能好坏的重要指标之一，只有良好的设备互联和规范统一底层数据格式才便于数据表达、传输和共享[10]。

通过对生产线数据进行分类整理，运用面向对象的方法构建OPC UA服务器地址空间数据模型[11]，结合OPC UA地址空间模型规范，将各种类型数据映射到OPC UA服务器地址空间，客户端通过地址空间统一访问服务器节点信息，便于OPC UA客户端获取、分析和处理生产数据。图3所示为OPC UA服务器地址空间中挤出车间生产线数据模型。

基于用户着重关注的信息和监测系统的功能需求，结合生产线各组成设备主要功能，将挤出加工生产线监控系统所需数据进行筛选，主要对挤出生产线组成设备加工过程涉及到的关键数据进行信息建模。在挤出生产过程中，涉及到的关键参数主要为主机监控系统中的控制器信息(如电源状态、执行模式等)、挤压系统的螺杆信息(如螺杆转速、启/停等)、物料系统中上料信息(如吸料时间、物料状态等)、加热冷却装置传感器信息(如传感器状态、传感器值等)、辅机监控系统中冷却定型装置的水泵和风机信息(如水泵启停、风机开关等)、牵引切割装置中电机信息(如牵引速度、电机转速等)。

图3 挤出加工车间服务器地址空间模型

2.2 KEPServerEX服务器设计

本地监控服务器为整个系统的核心部分，OPC UA服务器主要用于实现对底层设备数据的采集和封装，使得一个或多个客户端可以用一个统一的方式获取不同底层设备的数据。本文作者以KEPServerEX作为OPC UA服务器进行搭建与环境配置。该软件提供了160多种设备驱动程序，兼容300多种工业协议，拥有多种高级插件，可以有效地与成千上万种设备进行连接通信，并且通过一致性的服务器访问接口将工业数据通过OPC UA协议与OPC UA客户端通信[12-13]。利用KEPServerEX搭建OPC UA服务器，其核心在于创建OPC服务器的服务器对象(Server)、组对象(Group)、项对象(Item)。一个服务器对象可以包含多个组，一个组对象可以包含多个项。项是整个通信过程的基本单位，其作用是维护OPC UA服务器中与数据有关的信息；组则作为设备的基本单位，提供包容和组织OPC项对象的机制[14]。搭建OPC UA服务器的具体流程如图4所示。

图4 KEPServerEX服务器搭建流程

在整个挤出加工车间监控系统设计中，采用KEPSereverEX作为本地监控系统的OPC UA服务器需对加工车间的不同种类设备进行分类，确定底层设备与KEPServerEX服务器所需的通道类型、连接方式、设备属性配置等信息。结合OPC UA服务器地址空间中的设备数据模型，创建服务器所需采集的数据变量，需要给每一个数据变量配置唯一的地址和读写操作，地址和变量的类型与下位机PLC中寄存器的数据对应。如地址“DB1.l14，Short”，其中DB1代表PLC中的数据块，l14代表数据地址偏移量，而Short则是该数据的类型。挤出生产线监控系统KEPServerEX服务器采集变量组态界面如图5所示。

图5 KEPServerEX服务器组态界面

3 OPC UA客户端与服务器的交互

OPC UA与传统的OPC都是使用简单的C/S(客户端/服务器)架构，OPC基金会提供了工业自动化互操作性数据传输标准，并提出了OPC UA应用程序开发框架[15]。UA客户端与UA服务器信息交互的架构如图6所示，可知客户端和服务器使用API交换信息。信息交换方式有两种：第一种是客户端发送服务器请求，UA通信栈将其转化为请求消息后发送到UA服务器通信栈，服务器API调用对应的响应服务指定地址空间对应节点，完成响应任务后返回一个响应消息；第二种是客户端发布请求产生会话发布列队，服务器通过设置监视项，监视项对会话列队进行订阅监视，指明要监控的项目，处理完成后由订阅发送通知报告给客户端。

基于OPC UA的数据采集和处理系统主要目的是将底层不同类型设备的生产数据统一采集到OPC UA实现协议的转换，可以达到一个OPC UA客户端集中监控多种工业设备的数据，同时将数据统一存储到数据库中，有利于工业设备有效监测和设备故障预测分析。为此，基于客户端与服务器的交互框架开发OPC UA客户端，利用OPC UA基金会所提供的SDK，采用C#语言开发基于.net framework框架的OPC UA客户端，其内部实现流程如图7所示。主要功能是实现客户端API与服务器访问与测试功能，在程序中开发的OPC UA客户端功能主要包括刷新本地已注册的OPC UA服务器、连接服务器、浏览服务器地址空间、节点数据的订阅、读写信息节点属性、实时数据曲线图显示、对接MySQL数据库。

图6 客户端与服务器交互架构

图7 OPC UA客户端访问流程

在挤出加工车间中挤出生产线通常由辅机系统和主机系统组成，由于两种系统来自不同的厂商，导致与外部系统通信协议不一致。以管路挤出生产线为例，主机系统采用Siemens TCP/IP Ethernet协议，辅机系统采用Modbus TCP/IP Ethernet协议与外部进行通信。要想使两种系统不同的数据格式以一种统一的接口方式采集到上层业务系统，首先要将两种不同的数据采集驱动配置到本地的OPC UA服务器系统中，底层设备需要设置IP地址和端口号。主机系统控制器的IP地址为192.168.1.100，辅机系统控制器IP地址为192.168.1.10，端口号为502，然后配置需要采集的设备数据节点相关信息。OPC UA服务器成功与设备建立连接后，OPC UA客户端通过服务器的端点与OPC UA服务器建立连接。图8所示为OPC UA客户端与OPC UA服务器通信的结果。

图8 OPC UA 客户端测试结果

通过测试可知，刷新服务器后选择本地OPC UA服务器连接，服务器地址空间栏显示节点结构信息，然后选择所需要的节点信息到属性栏显示数据的相关属性，可以根据需要订阅节点数据显示实时变化图并将订阅的节点数据保存到数据库中。经测验，OPC UA客户端能对挤出机设备传感器温度以及电动机相关数据进行实时采集与交互、储存，系统各部分功能符合设计要求。

4 挤出车间可视化监控系统设计

根据现场挤出车间多条自动化生产线实际生产情况，利用OPC UA服务器完成设备数据的采集与汇总统一，OPC UA客户端完成数据传输交互测试与存储后，采用C#语言.NET Framework框架设计基于OPC UA的生产线可视化监控系统。根据系统的可视化需求，结合生产线组成特点，将系统分为主机监控和辅机监控，主要实现对底层设备的基本信息、位置信息、加工状态信息、报警信息的监控。图9为车间现场生产线，包括液袋挤出生产线、滴斗挤出生产线、管路挤出生产线等，图10所示为管路挤出生产线主机系统实时数据监控界面。

该系统将水泵压力、传感器温度、电机速度等现场重要的生产工艺参数实时显示出来。管理人员可以根据监控数据对生产线设备进行集中管理，不必额外的工作人员对每台设备进行监管与数据记录，提高了生产效率，降低了人工成本。同时可以改变生产工艺参数满足生产需要，达到生产要求。系统还具有报警显示功能，可根据生产要求设置数据报警上、下限，故障发生时及时提示操作员进行故障排除，同时将报警信息存入历史数据库。

图9 挤出车间现场设备

图10 挤出生产线监控界面

5 结语

针对传统挤出加工车间设备种类繁多、数据管理方式落后等问题，提出数据采集监控系统多项功能需求，设计系统整体技术框架及网络连接方式。根据OPC UA服务器地址空间模型规范，针对多条挤出生产线建立设备数据交互模型，利用KEPServerEX软件搭建OPC UA服务器完成底层不同设备协议到OPC UA标准协议的转换。开发OPC UA客户端接口，实现数据的统一访问和储存，根据实际挤出加工车间设备生产状况，开发的监控系统能很好地应用经过格式化处理的现场制造数据，车间底层不同设备生产数据信息能以标准化方式采集和统一监控。