OPC UA技術(shù)在高速鐵路起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維中的應(yīng)用

許俊杰 雷超帆 鄭博

摘 要：針對(duì)高速鐵路建設(shè)的特點(diǎn)，提出了起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維的思路。OPC UA技術(shù)具有良好的系統(tǒng)兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)、多設(shè)備的數(shù)據(jù)采集傳輸，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維的可操作性。高速鐵路起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維的使用大大提高了運(yùn)維便捷性，進(jìn)一步保障了高速鐵路建設(shè)的工程進(jìn)度和安全性。

關(guān)鍵詞：OPC UA，起重機(jī)械，遠(yuǎn)程運(yùn)維

先進(jìn)軌道交通裝備是《中國(guó)制造2025》十大重點(diǎn)突破發(fā)展領(lǐng)域之一，包括架橋機(jī)、提梁機(jī)、運(yùn)架一體機(jī)等起重機(jī)械是高速鐵路建設(shè)的核心裝備；根據(jù)2016年修訂的《鐵路中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)高鐵總長(zhǎng)將達(dá)到3.8萬(wàn)公里，其中起重機(jī)械需求穩(wěn)步增加[1]。起重機(jī)械在鐵路施工的過(guò)程中經(jīng)常遇到偏僻惡劣的工況環(huán)境，一旦設(shè)備發(fā)生故障，維修人員需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力到達(dá)工程地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶修，成本費(fèi)用很高。面對(duì)現(xiàn)階段高速鐵路起重機(jī)械施工過(guò)程中的運(yùn)維迫切需求，亟需開(kāi)發(fā)出一種起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)起重設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)[2]。

1 OPC UA技術(shù)介紹

OPC（Object Linking and Embedding for Process Control）被稱為多設(shè)備系統(tǒng)的“中間件”技術(shù)，在過(guò)程控制方面有著廣泛的應(yīng)用，是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、主機(jī)控制軟件之間實(shí)現(xiàn)快速連接的通信接口技術(shù)。然而，大部分的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備沒(méi)有嵌入式系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)COM接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。為了統(tǒng)一雜亂的設(shè)備接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)軟件的有效整合，OPC UA應(yīng)運(yùn)而生，其面向服務(wù)的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了包括Windows、Linux等多操作系統(tǒng)的兼容橋梁，使數(shù)據(jù)的傳輸不限于特定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的共享。

2 OPC UA技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

OPC UA作為一個(gè)數(shù)據(jù)兼容傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多設(shè)備終端與多臺(tái)服務(wù)器的連接。設(shè)備終端可以是傳感器、監(jiān)控設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等，這些設(shè)備終端可將數(shù)據(jù)信息通過(guò)OPC UA定義的統(tǒng)一傳輸協(xié)議傳輸給指定的服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，將信息分發(fā)給相應(yīng)的指令終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備終端的可控可操作功能。

3 高速鐵路起重機(jī)械運(yùn)維特點(diǎn)

高速鐵路起重機(jī)械主要用于在高速鐵路路網(wǎng)建設(shè)中，對(duì)大型預(yù)制件等體積重量大的建設(shè)材料進(jìn)行移位、吊裝，并且這些起重機(jī)械會(huì)隨著工程進(jìn)度，不斷的變換工作地點(diǎn)。在這種工況環(huán)境下，高速鐵路起重機(jī)械的運(yùn)維有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.作業(yè)流動(dòng)性大，工況復(fù)雜，運(yùn)維人員不便進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)；

2.起重機(jī)械存量大，技術(shù)人員不能滿足需求；

3.起重機(jī)械作額定載荷大，外形尺寸大，型式特殊，非標(biāo)設(shè)計(jì)，動(dòng)作復(fù)雜，安全性要求高，需要不同專業(yè)技術(shù)人員協(xié)作進(jìn)行故障判定；

4.通信協(xié)議不統(tǒng)一，集成困難，設(shè)備運(yùn)營(yíng)商難以對(duì)多廠家的起重機(jī)械集中管控，無(wú)法形成有效全面的大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

鑒于高速鐵路起重機(jī)械運(yùn)維的特點(diǎn)，采用運(yùn)維人員遠(yuǎn)赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備維修的救火方式，既浪費(fèi)了大量的人力、物力，又造成了工程施工進(jìn)度的延遲。相比較而言，采用技術(shù)專家遠(yuǎn)程獲取設(shè)備參數(shù)來(lái)診斷設(shè)備故障發(fā)生的原因，通過(guò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行設(shè)備維修的方式，是一種較為經(jīng)濟(jì)、便捷高效的運(yùn)維方式。

4 OPC UA技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

4.1 OPC UA 體系架構(gòu)

基于OPC UA，在遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交互信息、使用指令和執(zhí)行控制。OPC UA是一個(gè)平臺(tái)無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使用該標(biāo)準(zhǔn)可在位于不同類型網(wǎng)絡(luò)上的客戶端和服務(wù)器間發(fā)送消息，以實(shí)現(xiàn)不同類型系統(tǒng)和設(shè)備間的通信。它支持健壯、安全的通信，可確保客戶端和服務(wù)器的識(shí)別并抵御攻擊。OPC UA可被映射到不同的通信協(xié)議，并對(duì)數(shù)據(jù)可按照不同方式進(jìn)行以平衡可移植性性和效率。

OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由OPC服務(wù)器和客戶端兩個(gè)部分組成，每個(gè)系統(tǒng)可以包括多個(gè)客戶端和服務(wù)器。每個(gè)客戶端可同時(shí)與一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器交互，每個(gè)服務(wù)器可以與一個(gè)或多個(gè)客戶端交互。一個(gè)應(yīng)用客戶將服務(wù)器和客戶端部件組合在一起，以允許與其他服務(wù)器和客戶端交互[3]。

在高速鐵路施工現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)端軟件中同時(shí)包括兩個(gè)OPC UA客戶端，其中一個(gè)OPC UA客戶端和起重機(jī)械控制系統(tǒng)的PLC內(nèi)置OPC Server進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和本地的數(shù)據(jù)監(jiān)控[4]；另外一個(gè)OPC UA客戶端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的OPC UA服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[5]。在遠(yuǎn)程運(yùn)維監(jiān)控中心中可以包括多個(gè)服務(wù)端，每個(gè)服務(wù)器可以管理服務(wù)多個(gè)起重機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)維的客戶端，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸交換和信息互聯(lián)互通[6]。OPC UA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

OPC UA提供了一致和完整的地址空間、服務(wù)模型和安全模型，允許一個(gè)個(gè)單一的OPC UA服務(wù)器把數(shù)據(jù)、報(bào)警與事件和歷史信息統(tǒng)一到它的地址空間里[7]，這些包括數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件和歷史數(shù)據(jù)的地址空間可以用一套統(tǒng)一的服務(wù)為它們向外提供接口，以實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)的一致性和便捷性。

網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)編碼模塊（通信棧）可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼、加密和傳輸，安全及配置模塊可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)配置各項(xiàng)參數(shù)，建立起服務(wù)器與客戶端之間的唯一數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)的地址空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)對(duì)象相對(duì)應(yīng)的地址空間，并根據(jù)不同的任務(wù)創(chuàng)建相應(yīng)的視域，采集并保存現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)以及服務(wù)器的配置[8]。

4.2 遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)

遠(yuǎn)程運(yùn)維最為主要的功能是實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員與現(xiàn)場(chǎng)操作人員的遠(yuǎn)程溝通，也就是實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通和信息對(duì)等。信息對(duì)等是進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維的第一步，假如技術(shù)人員不能全面、準(zhǔn)確的了解設(shè)備出現(xiàn)的問(wèn)題以及出現(xiàn)問(wèn)題的原因，就無(wú)法制定詳細(xì)并符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的維修方案。依賴OPC UA技術(shù)，還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)和歷史工況數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程故障診斷和遠(yuǎn)程控制修復(fù)提供了通道。

在遠(yuǎn)程運(yùn)維的現(xiàn)場(chǎng)端軟件中，利用OPC UA技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傳感器和現(xiàn)場(chǎng)層傳輸原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理的信息的統(tǒng)一采集方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。在遠(yuǎn)程運(yùn)維的監(jiān)控中心，通過(guò)搭建OPC UA服務(wù)的方式，面向服務(wù)的架構(gòu)的（SOA）設(shè)計(jì)范例方式實(shí)現(xiàn)和多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

5 結(jié)語(yǔ)

基于OPC UA技術(shù)的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，可使起重機(jī)械技術(shù)人員像在現(xiàn)場(chǎng)一樣隨時(shí)隨地對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行了解，制定相關(guān)維修方案；同時(shí)，該系統(tǒng)能夠記錄設(shè)備在正常情況下的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其能耗、溫度、壓力等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為高速鐵路機(jī)械設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維、故障報(bào)警和預(yù)警功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免在故障發(fā)生后由于技術(shù)人員不能第一時(shí)間獲取故障信息所帶來(lái)的巨大損失。更為重要的是，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)的過(guò)程中所收集到的大量的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，能夠?yàn)樵O(shè)備制造商對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的升級(jí)優(yōu)化提供大量的數(shù)據(jù)支持，使企業(yè)根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)成功預(yù)測(cè)未來(lái)市場(chǎng)的發(fā)展動(dòng)向和關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的改革升級(jí)，給起重機(jī)械技術(shù)的創(chuàng)新帶來(lái)更快的速度、更高的效率、更高的成本、更具遠(yuǎn)見(jiàn)的洞察能力。

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作者簡(jiǎn)介

許俊杰，男，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng).

雷超帆，男，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論.

鄭博，男，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士，中原工學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng).