基于OPC UA的纺织智能染整车间信息模型研究与实现

李 锋， 张 坤， 原丽娜

(东华大学 计算机科学与技术学院， 上海 201620)

我国是世界上最大的纺织品出口国，近年来，智能制造、绿色制造、可持续发展正成为纺织染整行业发展的主旋律[1]，但目前国内的纺织染整系统中，染整设备间缺乏互联互通，设备层之间信息无法共享[2]，亟待实现设备与设备间、设备与系统间的互联互通，建立智能染整车间，推进智能染整的发展。

实现设备间互联互通的关键是对各物理设备进行抽象，形成设备的信息模型，使得一种类型的设备对外呈现标准的接口，并在此基础上建立通信规范，而OPC UA由于其特有的优点，正成为公认设备建模和制定通信规范的潜在解决方案[3]。

OPC UA是一套安全、可靠且独立于制造商的平台，用于工业通信的数据交互规范[4]。该规范使得不同操作系统、不同制造商的设备之间可以进行数据交互，由于其开放性与完整性而被广泛认可。GB/T 33863.1—2017《OPC统一架构》正式发布，并于2018年2月1日正式实施[5]。目前主流的自动化厂商，通信公司，协会组织，全球主要的现场总线基金会如PI、EPSG、ETG、SERCOSIII等，均支持与OPC UA的融合与开发工作。

对于解决数字化车间信息建模及统一的通信接口问题，国内外工业学术领域正在进行积极研究探索。信息建模方面主要有CIM-OSA[6]、UML、OPC UA 3种体系，可以初步满足数字化车间建模需求，但CIM-OSA仍处于试验阶段，过于强调形式化且较难掌握。UML在软件系统开发方面应用较为广泛，但缺乏对于动态效果的支持。而OPC UA目前正处于快速发展期，既能解决建模问题又可以解决数据传输统一通信协议的问题，可以很好地满足面向智能制造的数字化车间信息模型的需求。

波兰自动化装备公司CAS开发了可视化OPC UA信息模型显示工具；德国UA公司开发了OPC UA自动化建模工具UaModeler。Pauker等[7]在文献中介绍了描述制造系统的动态和静态行为的OPC UA信息模型的建立方法。张兆坤等[8]对数字化车间信息模型的建模方法进行了探讨，但是在具体模型与染整设备关系对应上还缺乏实践性的探索。苏延召等[9]提出了以OPC UA为标准接口构建系统的抽象框架。Salvatore等[10]则将OPC UA协议应用于客户端和服务器之间数据建模。 Andreas等[11]实现了将OPC UA信息模型应用于楼宇自动化系统。国内近些年也有不少将OPC UA应用到煤矿安全监控领域的方案。

综上所述，国内外虽然有一些关于OPC UA信息模型的研究与应用，但在纺织染整领域还存在空白，本文则将OPC UA应用于纺织染整领域，对常用的几种染整设备建立了其信息模型，从而为设备间、设备与系统间互联互通奠定基础，促进设备联网和染整智能车间的建立。

1 纺织智能染整车间系统介绍

现代纺织品染整是借助机械设备，通过化学或物理的方法对坯布进行处理的过程。机织物染整加工主要包括4大过程：前处理、染色、印花和后整理。生产方式分为连续式生产和间歇式生产，2种生产方式分别对应平幅连续生产线装备和平幅间歇式生产装备。

本文主要研究对象是平幅连续生产线装备。纺织智能染整车间系统主要是由制造执行系统(MES)和染整设备组成，染整设备主要包括：退煮漂机、丝光机、染色机、印花机和定形机。每种机器又由一些相关的监控单元组成，如退煮漂机则包括车速监控单元、水洗槽监控单元、汽蒸箱监控单元等。智能染整车间系统图如图1所示。

图1 染整车间系统图Fig.1 Dyeing and finishing workshop application scene model

本文通过构建染整车间设备信息模型，对染整设备进行抽象，建立其数字模型，形成染整设备对外传输数据的OPC UA统一接口[12]，进而实现染整设备信息的互联互通。

2 纺织智能染整车间系统建模

2.1 纺织智能染整车间模型抽象

OPC UA强大的信息建模能力体现在能够展示丰富有效的数据语义，OPC UA建模是基于元模型[13]，元模型是各个节点之间相互引用的信息模型基础[14]。OPC UA框架中总共有8种节点，如本文主要用到对象节点、变量节点、方法节点等。用户可以根据元模型来拓展自己需要的数据结构，根据实际应用的场景来定义自己需要的类型。信息模型定义就是利用元模型拓展出来的领域特定类型和约束，明确定义相应元模型、属性及方法，从而形成设备对外的统一服务接口。

根据上文提出的纺织染整车间系统图，可以得出染整车间系统的主要机器设备类型及其附属单元的关系。每个纺织染整设备物理模型含有若干部件、物理属性及各类操作，每个部件又包含其他的子部件和物理属性、信息模型与之对应，对纺织染整设备进行抽象和描述，定义了方法、属性、属性集、单元、引用信息模型元素。信息模型元素与纺织染整机器物理模型关系如图2所示。

图2 设备物理模型与设备信息模型对应关系Fig.2 Correspondence between information model and textile equipment

纺织染整设备的信息模型由若干监控单元和属性组成。属性分为“设备公有属性”和“设备私有属性”；“设备公有属性”即为定义出几种染整设备共有的属性；“设备私有属性”是指每种染整设备独有的设备属性。监控单元也包含“监控单元公有属性”和“监控单元私有属性”。染整智能设备信息模型结构如图3所示。

图3 染整智能设备信息模型结构Fig.3 Dyeing and finishing intelligent equipment information model structure

2.2 纺织智能染整车间OPC UA信息建模

依据信息建模的规范及前文所叙述的染整车间的OPC UA信息框架，首先抽象出“染整设备类型”这一元模型，作为5种机型的公共属性的集合，继承于OPC UA标准中的BaseObjectType[16](见图4)。退煮漂机类型、丝光机类型、染色机类型、印花机和定形机5种机器类型都是通过继承“染整设备类型”，进而共享染整设备公有的属性。

对于各个设备中所涉及到的基本监控单元，同样抽象出一个公共的“监控单元类型”(见图5)，用于定义监控单元的通用属性：单元名称和编号等。监控单元类型同样继承于BaseObjectType，而温度监控单元、气压监控单元、压力监控单元等21个监控单元均继承于“监控单元类型”。

图4 染整设备类型信息模型Fig.4 Information model of dyeing and finishing equipment type

图5 监控单元类型模型Fig.5 Monitoring unit type model

根据上文提取的染整设备模型及监控单元模型，本文对平幅连续生产车间构造出其染整信息化模型(见图6)，其中5种设备类型都继承了染整设备公有属性，每种机型内包含的监控单元均继承了监控单元公有属性，这些对象在信息模型中以内存空间地址的方式展现出来，以此达到信息统一的表示。同时每种设备的特殊属性则定义为其各自的私有属性。

图6 染整车间实例化信息模型Fig.6 Dyeing and finishing workshop instantiation information model

3 信息模型在纺织染整车间的应用

3.1 纺织智能染整车间系统模型实例化

系统模型实例化即针对某一具体设备，将抽象的信息模型实例化为实际的数据接口，图7示出丝光机信息化模型的实例图，包括公有属性和私有属性，由于篇幅限制只画出了部分私有变量节点及对象单元节点。 图8示出温度监控单元的实例化信息结构描述，包括公有属性和私有属性，其他监控单元也与此相似。

图7 丝光机实例化模型Fig.7 Mercerized machine instantiation model

图8 温度监控单元实例化信息Fig.8 Temperature monitoring unit instantiation information

在上文中实例化模型之后，本系统建模采用德国Unified Automation 公司提供的UaModeler工具对上述染整设备和单元模型完成建模，UaModeler能够根据创建的信息模型自动生成对应的XML文件，并且包含了所有OPC UA内置的标准类型节点，同时允许用户拓展特定领域自定义的类型。图9示出用UaModeler建立的丝光机的模型图。

图9 丝光机UaModele模型Fig.9 UaModele model of Mercerizing machine

本方案使用XML文件描述信息模型，通过可拓展和自描述的特性对数据和文档进行结构化处理，使得模型可更好地跨系统、跨语言使用。

3.2 OPC UA模型在染整车间应用案例

纺织智能染整车间基本框架如图10所示，分为生产过程执行管理系统(MES)层和设备层。

图10 染整车间系统架构Fig.10 Dyeing and finishing workshop system architecture

生产过程执行管理系统在框架的顶端，在智能车间中负责对下层设备进行统一管理，提供计算服务。MES的主要功能包括：设备数据收集和设备的运行状态显示，并向设备发送控制命令，控制各设备工作，承担设备状态管理，生产管理及运行数据采集和分析等网络管理核心功能。监控管理设备，提供GUI管理界面，用于整个网络的配置、管理、运行操作。

在本方案中MES系统被视为OPC UA的客户端，结构包括OPC UA客户端应用程序、OPC UA通信栈、OPC UA客户端API。

客户端应用程序使用API调用设备提供的符合OPC UA协议服务，通信栈将客户端的API调用转换成消息，并通过底层发送给设备服务层。MES与设备的交互有2种方式：一种是客户端的服务请求，服务请求经底层通信实体发送给OPC UA通信栈，通过OPC UA服务器接口调用请求或响应服务，请求的任务将在服务器的地址空间中执行，执行完成后返回一个响应消息。另外一种为发送发布请求，请求服务器发布数据或通知消息，发布请求经过底层通信实体发送给OPC UA通信栈，通过OPC UA服务器接口发送给预定端，当预定指定的监测项探测到数据变化或者事件、报警发生时监视项生成一个通知发送给预定并由预定发送给客户。

设备端代表智能染整设备，由网关、设备控制器和设备3部分组成。在本方案中，设备指5类典型染整设备：丝光机、退煮漂机、印花机、染色机和定形机。

由于许多传统染整设备没有符合OPC UA标准的接口，即非OPC UA标准设备，为此设计了OPC UA网关，用于对外提供OPC UA服务。

网关用于设备节点与系统之间互联所需要的协议转换装置，通常具有数据转换功能、安全功能、数据定义、网关管理维护功能。在该方案中，设备控制器代表设备的控制和数据采集执行机构，如可编程逻辑控制器(PLC)等设备自身的控制板。

从消息服务机制上讲，这里每个网关都是OPC UA服务器，采用OPC UA服务器机制向MES等车间系统提供各设备的状态数据、历史数据、报警和事件信息，并接受MES等系统控制命令，完成设备的相应功能。

在一些现有设备中有时会具备1个以上的独立设备控制器，如在一些退煮漂机中，温度和压力等是独立的控制器，针对运布的动力机构则是采用独立的PLC控制机构。因此在图10中，需要考虑对一个设备多个控制器的综合，然后通过网关进行协议转换，对外提供OPC UA标准服务。

OPC UA通过通信栈来传输消息，通信栈中的传输协议采用TCP/IP方式，传输协议与平台是独立的，并且能跨越防火墙。OPC UA使用面向服务的体系结构(SOA)，实现了跨Internet的数据交换系统。根据OPC UA的技术体系规范，在系统和设备间的车间级网络体系中，采用了传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)网络通讯。

网关和原设备控制器间的通信为现场设备级网络，可采用现场总线、工业以太网。

现场总线。IEC61784标准中定义的现场总线可在现场设备级网络中应用，如Modbus、RS485等。

工业以太网。IEC61784标准中定义的工业以太网可在现场设备级网络中应用，如Modbus/TCP、PROFINET、EtherCAT、Ethernet等。

设备控制器和设备之间则是采用内部总线模式，大都为设备的私有协议。

4 结束语

基于OPC UA协议，以退煮漂机、丝光机、染色机、印花机和定形机5种典型设备为例，建立了设备的OPC UA信息模型，确定了设备的统一数据服务接口，并在此基础上建立了纺织智能染整车间系统，该模型已经在企业中得以实际应用。

该模型还可以推广到其他纺织机械领域，解决纺织设备互联互通的问题，为纺织设备接入工业互联网最后通道奠定了基础，促进工业物联网在纺织行业的发展。

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