OPC統(tǒng)一架構(gòu)框架下的針織裝備信息模型

汪松松， 彭來湖， 胡旭東

(1. 浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備 技術(shù)重點實驗室， 浙江 杭州 310018)

以O(shè)PC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)標準為代表的標準化信息建模技術(shù)在工業(yè)裝備領(lǐng)域獲得廣泛研究[1]，并在數(shù)字化車間建設(shè)中的自動化裝備和系統(tǒng)之間集成方面具有較成熟的實例化應(yīng)用場景[2-3]，使得分布于不同生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的設(shè)備和系統(tǒng)不再是信息孤島，信息交互從底層設(shè)備層貫穿至控制層和管理層網(wǎng)絡(luò)[4]，為工業(yè)生產(chǎn)提供了一種較為統(tǒng)一的信息模型交互操作方案。另外，通過構(gòu)建服務(wù)架構(gòu)[5]、信息模型轉(zhuǎn)化與映射[6-7]、信息交互文件模式[8]等方法，并基于OPC UA的軟件開發(fā)工具包(SDK)[9]，降低了OPC UA信息模型的實例化的技術(shù)門檻，使OPC UA標準易于技術(shù)實現(xiàn)。

在針織裝備的信息化進程中，目前主要以縱向的生產(chǎn)管理智能化等為重點發(fā)展方向[10-11]，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將針織裝備與制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)[12]、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)等聯(lián)通，對裝備狀態(tài)、生產(chǎn)、工藝、花型等數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)測與遠程控制[13]。在針織裝備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的信息交互過程中[14]，其基本屬性信息與生產(chǎn)過程信息的交互是實現(xiàn)互聯(lián)互通操作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而大部分針織裝備信息結(jié)構(gòu)化層度低，沒有統(tǒng)一的規(guī)范，形成了碎片化、半結(jié)構(gòu)化和信息異構(gòu)特征,降低了信息語義的互通性。另外，針織裝備缺乏通用的信息模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建與表示方法，無法形成標準化針織裝備信息模型，難以提高針織裝備信息模型的完備性，也最終導(dǎo)致了針織制造裝備與生產(chǎn)管理系統(tǒng)之間的信息互操作能力低。

本文針對針織裝備信息模型構(gòu)建技術(shù)展開研究。通過研究結(jié)構(gòu)化語義信息維度和針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)與建模方法，采用形式化的信息模型構(gòu)建過程，實現(xiàn)基于OPC UA的針織裝備實例化建模，并構(gòu)建了針織裝備組件集與屬性集，對信息模型結(jié)構(gòu)屬性進行優(yōu)化；通過針織裝備模型標準化開發(fā)與實驗，以期為各類針織裝備信息建模提供指導(dǎo)。

1 針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)與建模方法

1.1 結(jié)構(gòu)化語義信息

針對針織裝備數(shù)據(jù)量大、且數(shù)據(jù)類型多的問題，要了解交互數(shù)據(jù)的語義，就務(wù)必要求通信雙方具有相同規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸格式和編解碼語義系統(tǒng)；更進一步，如果要解析數(shù)據(jù)提供方所提供的數(shù)據(jù)其內(nèi)在聯(lián)系、動態(tài)操作功能等則對信息供給側(cè)提出了更高的要求。為此，將針織裝備信息供給側(cè)信息集群有機地組織起來，明確各數(shù)據(jù)間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，以構(gòu)建信息供給側(cè)的標準化信息模型，以供信息接收方能理解其數(shù)據(jù)的語義與數(shù)據(jù)間的關(guān)系。

把針織裝備信息分為3個維度：一是信息表示維度，即具體數(shù)值；二是語義維度，即每個信息所代表的組件含義，如單位、描述、范圍、數(shù)據(jù)類型等；三是關(guān)系維度，即信息點間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，如集合關(guān)系、線性關(guān)系、樹狀(層次)關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)關(guān)系等。這3個信息維度是針織設(shè)備信息因子中不可缺少的方面，只有信息表示1個維度則無法解碼，并無法獲得更多的關(guān)系信息。反之，各個維度上表達的信息量越豐富，則針織裝備的語義越完備。

1.2 基于OPC UA框架的信息模型建模方法

采用OPC UA標準化框架信息節(jié)點的單位、語義等因素，利用網(wǎng)狀地址空間模型結(jié)構(gòu)表述信息任意節(jié)點間的關(guān)系，解決建模涉及的針織裝備3個信息維度，規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，構(gòu)建完整、統(tǒng)一的針織裝備信息模型，將實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警等開發(fā)成規(guī)范化信息接口。采用針織裝備車間建模時，設(shè)計的主要非形式化的過程如下。

1)圖1示出裝備信息基礎(chǔ)模型。選擇OPC UA作為建模方法，分析裝備數(shù)字化結(jié)構(gòu)，明確各維度上的組成，以確定建模覆蓋范圍。

圖1 裝備信息模型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Equipment information model infrastructure

2)根據(jù)上層管理系統(tǒng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的需求與裝備物理結(jié)構(gòu)，自上而下對整個針織裝備數(shù)據(jù)進行分解，以得到低耦合、高類聚的若干分析域，即將一個大而復(fù)雜的信息模型按照裝備生產(chǎn)子系統(tǒng)劃分為組件集、組件等單元，從而讓裝備的信息管理模塊化，其中組件集又包含若干組件單元。

3)對裝備各組件進行數(shù)字化，依據(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)及各組件的本身屬性參數(shù)，建立屬性集，確定各屬性的數(shù)據(jù)類型、讀寫屬性、單位、值域范圍、是否必選等屬性元素,從而形成詳細的信息模型數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)庫等表現(xiàn)形式。

依據(jù)上述建模過程，形成針織裝備組件集與屬性集，并通過迭代以提高信息模型的語義完備度。

2 針織裝備的OPC UA實例化建模

2.1 數(shù)字化針織生產(chǎn)車間模型分析

針織生產(chǎn)車間并沒有統(tǒng)一的信息模型，但從智能制造體系的一般結(jié)構(gòu)來看，從信息的上下流動分為設(shè)備層、執(zhí)行層和資源層，與針織生產(chǎn)的設(shè)備層、車間層、企業(yè)層相對應(yīng)，如圖2所示。設(shè)備層是車間生產(chǎn)信息模型的信息源，在針織生產(chǎn)中，針織裝備自動化程度高，物流搬運等輔助生產(chǎn)設(shè)備則配置數(shù)量少，一般由專人看管操作。在執(zhí)行層中，主要為基于MES的管理，一方面對設(shè)備層的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行全面的監(jiān)視，向設(shè)備層發(fā)布生產(chǎn)計劃指令，并根據(jù)各針織裝備的生產(chǎn)效率與產(chǎn)量進行生產(chǎn)調(diào)度；人員的管理通過在針織機上刷卡實施；工藝花型管理則由MES系統(tǒng)向針織機械控制系統(tǒng)下發(fā)；每臺針織設(shè)備都提供編織質(zhì)量的實時監(jiān)控功能，MES的管理以針織設(shè)備為主。在資源層上，企業(yè)ERP則通過MES系統(tǒng)實現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略的執(zhí)行與監(jiān)控。

圖2 針織生產(chǎn)車間信息模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Knitting workshop information model structure

從生產(chǎn)車間管理過程角度來看，針織車間的執(zhí)行層與設(shè)備層之間的交互信息是針織裝備生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，主要信息單元為設(shè)備管理、生產(chǎn)計劃與調(diào)度、人員管理、質(zhì)量控制與追溯、工藝執(zhí)行管理等，為針織信息模型的構(gòu)建提供了針織裝備生產(chǎn)運行信息的關(guān)鍵子集。

2.2 基于形式化的信息模型構(gòu)建過程

從針織裝備的機械機構(gòu)上分析，一般包括送紗器、氣閥、織針、針筒、選針器、伺服電機等部件，各組件單元有其自身的技術(shù)參數(shù)屬性；另一方面，針織裝備的廠家信息、設(shè)備標號、各部件的數(shù)量及配置等也是針織裝備的基礎(chǔ)信息。

不失一般性，提出將OPC UA信息模型通用建模規(guī)則和針織裝備的生產(chǎn)運行信息與基礎(chǔ)信息相映射，如圖3所示。針織裝備的信息模型是由若干部件、固有屬性、生產(chǎn)過程屬性以及各類操作組成的，每個部件又可以包含其它子部件和屬性。由于OPC UA模型天然適應(yīng)工業(yè)設(shè)備的建模與擴展，它通過屬性、屬性集、組件、組件集、設(shè)備、方法、方法集、引用等元素，完整映射了針織裝備的一切信息，包括靜態(tài)信息和動態(tài)信息。

圖3 針織裝備與OPC UA信息模型元素的映射Fig.3 Mapping of knitting machine and OPC UA information model elements

為了解決目前非形式化建模過程，保證針織裝備信息模型與設(shè)備本體的一致性，提出從非形式化、形式化、實例化的持續(xù)演進方法來動態(tài)構(gòu)建。根據(jù)管理系統(tǒng)的需求和本體元模型規(guī)范，理論模型構(gòu)建過程如圖4所示。在保證針織裝備語義信息模型完備性的同時，也兼顧工程實施的可行性，針對網(wǎng)狀信息關(guān)系，并通過降維方法生成樹狀關(guān)系模型。

首先收集針織制造領(lǐng)域信息而實現(xiàn)非形式化建模；然后通過建模修訂、元模型選取、關(guān)系迭代等過程建立形式化針織裝備模型群；最后生成針織裝備信息模型實例。構(gòu)建信息模型網(wǎng)狀圖結(jié)構(gòu)，全面表示信息節(jié)點之間的關(guān)系，但其模型關(guān)系度的復(fù)雜性也制約了模型的表示與實現(xiàn)，通過針織裝備信息模型關(guān)系生成樹方法，生成樹狀結(jié)構(gòu)信息模型，以便信息的交互，構(gòu)建步驟如下：

1)對針織制造領(lǐng)域內(nèi)生產(chǎn)裝備進行信息化初始表示。采用非形式化的信息描述，列舉出該領(lǐng)域中的所有概念以及對該概念的詳細解釋。除此之外，針對每個概念，要列出它所有可能的屬性，每個屬性都有對應(yīng)的屬性值。通過領(lǐng)域概念學(xué)習(xí)、公理化分析，實現(xiàn)領(lǐng)域概念關(guān)系庫，并通過評價、再學(xué)習(xí)的循環(huán)迭代機制實現(xiàn)針織制造領(lǐng)域非形式化元模型概念集。提取各概念集共性，根據(jù)信息模型規(guī)則建立針織制造領(lǐng)域基本模型概念屬性集。每次迭代增加針織領(lǐng)域概念信息節(jié)點時，判斷其已有的信息節(jié)點的關(guān)系，形成關(guān)系庫。

圖4 針織裝備語義信息模型構(gòu)建的演進過程Fig.4 Evolution of knitting machine semantic information model construction

2)依據(jù)針織制造領(lǐng)域元模型，構(gòu)建針織制造裝備信息節(jié)點集，形成針織制造裝備本體信息模型群。依據(jù)規(guī)則集建立信息節(jié)點屬性集，形成針織裝備信息節(jié)點網(wǎng)絡(luò)關(guān)系空間，建立信息節(jié)點i到信息節(jié)點j的關(guān)系度con(i,j)：

con(i,j)=∑conk(i,j)×wk

關(guān)系度由數(shù)據(jù)的變化活躍度、各種關(guān)系結(jié)構(gòu)及權(quán)值wk構(gòu)成。其中，k為子權(quán)值序號。

3)建立針織裝備基本模型信息節(jié)點集，建立針織裝備基本模型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，生成加權(quán)有向圖GD=(V，con(G))，V為增設(shè)全局關(guān)系節(jié)點a0的信息節(jié)點屬性集{a0，a1，a2，…，an}，以保證任何信息節(jié)點是相連的，且關(guān)系矩陣為：

4)重復(fù)(2)～(3)步驟，直至針織裝備基本模型群在當(dāng)前服務(wù)集認知域中是完備的。

5)構(gòu)建針織裝備信息模型生成樹T和新關(guān)系矩陣con(T)。信息模型有向圖信息節(jié)點間路徑的不確定性也導(dǎo)致了信息空間信息量的增加，無法實現(xiàn)信息模型根節(jié)點到葉節(jié)點的唯一性，尤其針對信息處理資源受限的針織裝備，對信息表示造成了嚴重負擔(dān)。為此，通過賦權(quán)有向圖構(gòu)建生成樹，建立基于根節(jié)點和廣度優(yōu)先的生成樹，對網(wǎng)狀空間信息節(jié)點有向圖向樹狀圖進行轉(zhuǎn)換，最終生成針織裝備信息模型生成樹T和新關(guān)系矩陣con(T)，降低了針織裝備信息模型的復(fù)雜度，以提高信息模型的交互能力。

2.3 針織裝備組件集與屬性集

通過對各針織裝備共性結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)過程進行抽象分析，組建包括基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集、生產(chǎn)過程屬性集、配置信息、部件信息和生產(chǎn)環(huán)境信息的針織裝備信息模型如圖5所示，主要包括以下幾部分。

圖5 針織裝備信息模型Fig.5 Knitting machine information model

1)基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集包括裝備信息屬性集、主控信息屬性集、人機交互信息屬性集、工廠信息屬性集等，基礎(chǔ)靜態(tài)屬性集反映了針織裝備的類型、廠家、系統(tǒng)屬性等靜態(tài)屬性，是基礎(chǔ)的固定屬性。

2)生產(chǎn)過程屬性集反映針織裝備在實際運行過程中的狀態(tài)、運行參數(shù)等過程信息，包括產(chǎn)品訂單信息、生產(chǎn)計劃、花型信息、編織信息、班次信息、人員管理信息等動態(tài)屬性集，并通過速度、產(chǎn)量、時間、狀態(tài)、人員執(zhí)勤等變化屬性來描述整個針織自動化生產(chǎn)過程，是針織裝備屬性集的核心部分。另外，針織車間生產(chǎn)環(huán)境對織物坯布的質(zhì)量會產(chǎn)生一定的影響，考慮將溫度、濕度、震動屬性等環(huán)境信息納入針織裝備信息模型中，將對針織生產(chǎn)過程與質(zhì)量評價提供更加豐富的數(shù)據(jù)。

3)配置信息主要包括針織裝備的聯(lián)網(wǎng)配置，涉及網(wǎng)絡(luò)通信時所需要的時區(qū)、聯(lián)網(wǎng)IP與端口號、通信協(xié)議版本、登錄賬號與密碼等相關(guān)信息。進一步地，網(wǎng)絡(luò)配置信息也是上層管理系統(tǒng)識別針織裝備的主要方式。

4)部件集主要包括配電、電動機、氣閥、選針器等針織裝備子部件，各子部件又可擴展成遞歸式的子屬性集和子部件。

最后，根據(jù)OPC UA數(shù)據(jù)字典的需求及通用規(guī)范，在針織裝備信息模型底層的屬性中，構(gòu)建了針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)Fig.6 Knitting machine attribute element structure

每一個屬性都由多個屬性元素組成，屬性元素是描述物理設(shè)備、部件的最小單元。對基礎(chǔ)靜態(tài)屬性、生產(chǎn)過程屬性、配置信息、部件集、環(huán)境信息等屬性建立數(shù)據(jù)字典，包含屬性元素數(shù)據(jù)，通過屬性ID與名稱來標識屬性，訪問權(quán)限、高低限值來保證了數(shù)據(jù)安全，針織裝備典型的屬性如表1所示。

表1 針織機裝備典型屬性Tab.1 Typical properties of knitting machine

3 針織裝備信息模型優(yōu)化

3.1 考慮數(shù)值變化頻度的屬性

OPC UA信息模型的屬性集主要分為靜態(tài)屬性集與動態(tài)屬性集，依據(jù)裝備對象的數(shù)值變化頻度，采用兩種不同的采樣周期，降低OPC UA服務(wù)器的信息存儲，而又能提供準確的信息模型歷史數(shù)據(jù)。

考慮到針織裝備的生產(chǎn)過程屬性中屬性較多，其中圓緯機和經(jīng)編機達到100項以上，各動態(tài)屬性中各數(shù)據(jù)的變化頻度也有很大區(qū)別，對采樣頻率與方式進行優(yōu)化。如針織裝備的產(chǎn)量在每分鐘會有累增，速度也會在以秒級變化，上層系統(tǒng)對針織裝備生產(chǎn)過程各屬性集數(shù)據(jù)的采集頻率也過于統(tǒng)一，如果采集頻率過高則對數(shù)據(jù)處理與通信造成負擔(dān)，對歷史數(shù)據(jù)存儲造成冗余，采集頻率過低，則無法反映針織生產(chǎn)過程；因此，可對每一屬性采用不同的采樣頻率或針織裝備的屬性變化數(shù)據(jù)主動上報方式，可提高針織裝備信息模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用效率，而并不增加信息模型的額外負擔(dān)。

3.2 考慮優(yōu)先級的數(shù)據(jù)屬性

考慮到網(wǎng)絡(luò)資源受限，針對實時信息并發(fā)傳輸時，基于工業(yè)實時網(wǎng)絡(luò)的要求，根據(jù)針織車間執(zhí)行層管理系統(tǒng)對針織裝備各屬性的實時性、可靠性等質(zhì)量要求的差異性，信息模型屬性數(shù)據(jù)按優(yōu)先級排隊發(fā)送，如裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)是管理系統(tǒng)實時關(guān)注的，則優(yōu)先傳輸，而訂閱的生產(chǎn)速度、產(chǎn)量則可靠后轉(zhuǎn)發(fā)。因此，對針織裝備屬性增加質(zhì)量元素，采用“至少一次”傳輸指令性設(shè)置參數(shù)數(shù)據(jù)，保證屬性數(shù)據(jù)的正確可靠，而采用“只有一次”模式按頻率傳輸一般動態(tài)屬性數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)配置認證類初始數(shù)據(jù)采用“最多一次”模式，提高了聯(lián)網(wǎng)的安全能力。

3.3 屬性間相關(guān)性分析

由于針織裝備信息模型屬性之間并不是完全解耦的，如針織裝備運行狀態(tài)是針織車間執(zhí)行層管理系統(tǒng)非常關(guān)注的變量，但與針織裝備運行速度相關(guān)性高，速度為0 r/min時則狀態(tài)為停車，速度高于一定閾值則為運行狀態(tài)、速度高于一定閾值則為點動等，針織裝備運行狀態(tài)與速度范圍一一對應(yīng)，即通過速度情況則可行到裝備狀態(tài)，而無需狀態(tài)屬性的值。同樣，預(yù)設(shè)產(chǎn)量、已完成量和未完成量是線性相關(guān)的；總停車時間、運行時間和時間效率成運算關(guān)系等。屬性間的高關(guān)聯(lián)度降低了針織裝備信息模型的表達效率，容易引起數(shù)據(jù)間的不一致性，過多的冗余數(shù)據(jù)也會造成網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)，引起管理系統(tǒng)的混亂，但屬性間一定關(guān)聯(lián)度也可幫助管理系統(tǒng)對針織裝備信息模型的準確性進行驗證。因此，設(shè)計適當(dāng)?shù)尼樋椦b備冗余屬性以提高信息模型的可靠性。

針對基于OPC UA的針織裝備信息模型，可對屬性元素進行改進，增加頻度、優(yōu)先級、相關(guān)性等元素，改進后的針織裝備屬性結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 改進后的針織裝備屬性元素結(jié)構(gòu)Fig.7 Improved knitting machine attribute element structure

圖8 針織裝備信息模型服務(wù)器結(jié)構(gòu)Fig.8 Server structure of knitting machine information model

4 針織裝備模型標準化開發(fā)與實驗

4.1 基于OPC UA的互聯(lián)互通結(jié)構(gòu)開發(fā)方法

采用OPC UA標準化建模方法，以針織裝備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為基本屬性對象，從下至上構(gòu)造包括數(shù)據(jù)、信息模型、地址空間模型的針織裝備信息模型服務(wù)器，并采用HasChild、HasSubtype、HasSubdevice引用類型，如圖8所示。根據(jù)節(jié)點類及其屬性來定義元模型，向OPC UA客戶端提供讀寫功能。從技術(shù)開發(fā)上分析，信息模型中節(jié)點、引用關(guān)系等異常復(fù)雜，圍繞地址空間、服務(wù)模型與針織裝備的內(nèi)在聯(lián)系進行并行設(shè)計與開發(fā)時，工程量大，而選擇采用OPC UA的成熟、可裁的SDK開發(fā)，可降低開發(fā)成本，提高開發(fā)速度?？紤]到OPC UA服務(wù)器與針織裝備的貼合度與企業(yè)需求，有開發(fā)獨立服務(wù)器、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、完全融合等方法。

1)開發(fā)獨立服務(wù)器方式。把針織裝備OPC UA服務(wù)器作為基于普通計算機的可獨立執(zhí)行程序的一部分，基于Windows的SDK開發(fā)，可根據(jù)針織裝備信息模型數(shù)據(jù)字典進行可視化的二次開發(fā)，通過針織裝備OPC UA客戶端可與企業(yè)MES等軟件實現(xiàn)互聯(lián)互通。另外，一個服務(wù)器平臺可連接多臺針織裝備終端，以實現(xiàn)大規(guī)模針織生產(chǎn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。開發(fā)獨立服務(wù)器方式較容易實現(xiàn)，適用面廣，是實現(xiàn)基于OPC UA的針織裝備信息模型的主要方式。

圖9 OPC UA獨立系統(tǒng)Fig.9 OPC UA independent system

2)開發(fā)OPC UA數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)方式。在對現(xiàn)役針織裝備進行改造升級時，由于針織裝備間沒有統(tǒng)一的互聯(lián)互通接口，可開發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的OPC UA的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)。其對上層MES系統(tǒng)采用統(tǒng)一的通信接口，有統(tǒng)一的通信協(xié)議，向下則采用獨立的總線或者特定接口，以接入現(xiàn)役設(shè)備，采集現(xiàn)有針織裝備信息模型數(shù)據(jù)，對車間MES管理系統(tǒng)提供OPC UA服務(wù)器功能。

3)OPC UA與電控系統(tǒng)完全融合方式。理想的針織裝備信息模型服務(wù)則為直接嵌入在裝備本身的控制系統(tǒng)功能中，與OPC UA的信息模型達到完全的融合，無需其它網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)換，OPC UA客戶端則可直接與針織裝備控制系統(tǒng)進行通信。針織裝備種類多，各控制系統(tǒng)平臺也各不相同，需要基于針織信息模型對OPC數(shù)據(jù)、信息模型、地址空間、引用等進行深入開發(fā)，目前主要用于價格昂貴的大型針織裝備上。

無論是基于獨立服務(wù)器、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)還是完全融合，需根據(jù)各針織裝備的特點進行分析，常常是多種方式共用，連接拓撲如圖10所示。

圖10 針織裝備信息模型OPC UA連接方式Fig.10 Knitting machine information model OPC UA

4.2 針織裝備信息模型實驗

采用開發(fā)獨立服務(wù)器方式，開發(fā)基于windows7的UaExpert SDK，構(gòu)建地址空間服務(wù)器，對針織裝備圓緯機數(shù)據(jù)存儲進行實驗。配置一臺Xeon E5-2 660雙核64G內(nèi)存計算機作為UaExpert服務(wù)器，能讀取1 000個/s的數(shù)據(jù)節(jié)點。

在本數(shù)據(jù)模型中，針織圓緯機擁有103項靜態(tài)數(shù)據(jù)，20項動態(tài)數(shù)據(jù)的變化頻率約為每3 min變化1次，只有8項數(shù)據(jù)是實時變化的。為此，采用不同的采樣頻率，并同時建立實時數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)影子歷史數(shù)據(jù)表，提高了數(shù)據(jù)庫的增刪查改性能。

將一臺圓緯機連接到OPC UA服務(wù)器端，并利用OPC UA客戶端訪問OPC UA服務(wù)器上圓緯機的信息模型數(shù)據(jù)，包括主控、人機、運行、班產(chǎn)等屬性集，各屬性包含名稱、類型、權(quán)限等元素結(jié)構(gòu)，并對屬性集信息進行實時讀寫測試，證明了OPC UA框架下的針織裝備信息模型的可行性。

表2示出針織裝備信息模型特征對比。

表2 針織裝備信息模型特征對比Tab.2 Characteristics comparison of knitting machine information model

通過對針織裝備語義信息模型驗證，對改進的信息模型相對于碎片化信息點、單純OPC UA模型下針織裝備信息模型相比，在模型架構(gòu)、語義結(jié)構(gòu)、技術(shù)實現(xiàn)方面均有改進，提高了信息的完備度，通過標準化建模，語義豐富、易于實現(xiàn)。

5 結(jié) 論

針織裝備信息模型是實現(xiàn)針織生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的技術(shù)，本文主要從OPC UA標準化建模技術(shù)入手，在OPC UA框架下構(gòu)建了針織裝備信息建模型結(jié)構(gòu)，主要結(jié)論如下。

1)通過對針織裝備結(jié)構(gòu)化語義維度信息分析，研究了非形式化的建模過程，并通過OPC UA標準化模型映射，給出了一種針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。

2)設(shè)計了形式化的信息模型構(gòu)建過程，并通過賦權(quán)有向圖構(gòu)建生成樹，對針織裝備信息模型結(jié)構(gòu)降維，建立基于根節(jié)點和廣度優(yōu)先的生成樹模型結(jié)構(gòu)，具有組件集與屬性集的針織裝備信息?；卺樋椦b備信息模型數(shù)據(jù)的特點，從數(shù)據(jù)變化頻度、優(yōu)先級、相關(guān)性方面做了相應(yīng)優(yōu)化，豐富了信息模型語義。

3)采用開發(fā)獨立服務(wù)器方式，開發(fā)基于windows7的UaExpert SDK，在針織裝備OPC UA的客戶端進行了讀寫測試，驗證了在OPC UA框架下構(gòu)建的針織裝備信息模型實例化的可行性，并具有語義信息完備性高的特點。

本文基于OPC UA框架構(gòu)建的針織裝備信息模型對各類針織裝備信息建模實例化與標準化具有一定的指導(dǎo)意義。