基于OPCUA 協(xié)議的西門子PLC 設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

李金普 韓佳起 胡長霆

（江蘇中煙工業(yè)有限責(zé)任公司徐州卷煙廠,江蘇 徐州221000）

隨著網(wǎng)絡(luò)科技的發(fā)展,傳統(tǒng)工業(yè)對網(wǎng)絡(luò)化、智能化提出了更高的要求。為了將機(jī)械設(shè)備和電腦端可視化、手機(jī)端實(shí)時監(jiān)測、客戶端遠(yuǎn)程控制相結(jié)合,本程序?qū)LC、OPC UA[1]協(xié)議、窗體客戶端的設(shè)計編寫進(jìn)行了深入研究。目前在我廠的生產(chǎn)活動中,設(shè)備的運(yùn)行狀況可通過生產(chǎn)現(xiàn)場的觸摸屏程序獲取、顯示和控制。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障,觸摸屏程序會顯示故障信息,并發(fā)出報警,這時要求現(xiàn)場操作人員或維修人員在第一時間發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備報警和故障。但由于生產(chǎn)區(qū)域空間跨度大、情況復(fù)雜,有些設(shè)備的報警信息不能及實(shí)地被發(fā)現(xiàn)和查看,另外,生產(chǎn)區(qū)域中也存在部分設(shè)備信息未被中控系統(tǒng)監(jiān)測的情況,例如配方庫堆垛機(jī)具體故障無法報送,需要操作人員進(jìn)入庫區(qū)確認(rèn)。類似情況會導(dǎo)致中控人員無法快速找到設(shè)備故障癥結(jié),難以實(shí)施在線調(diào)整、快速復(fù)位等操作。針對以上問題,本文開發(fā)了一套設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng),經(jīng)測試后,該系統(tǒng)縮短了故障處理的時間,提高了生產(chǎn)管理效率,降低了生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險。

1 設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)主要功能

設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)是一款基于C#語言的WINDOWS 窗體應(yīng)用程序?？稍谘b有WINDOWS 操作系統(tǒng)和.NET Framework[2]的計算機(jī)內(nèi)運(yùn)行。該系統(tǒng)遵循OPC UA 協(xié)議將西門子S7-400PLC和程序連接。程序通過訂閱的方式接收PLC 的故障報警信息,經(jīng)過判斷和處理后在可視化區(qū)域顯示故障圖標(biāo)記,并通過釘釘群機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手機(jī)和電腦端的消息推送。相關(guān)操作人員在手機(jī)安裝釘釘并打開系統(tǒng)通知,可以在第一時間接收到設(shè)備故障報警。

本系統(tǒng)將PLC 信息點(diǎn)（PLC 中間變量、輸入點(diǎn)、輸出點(diǎn)）用MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理,將每個信息點(diǎn)的標(biāo)簽,NodeId[3],地址,描述,所在區(qū)域串聯(lián),并根據(jù)設(shè)備、區(qū)域進(jìn)行分組。采取訂閱[4]的方式,由OPC 服務(wù)器（KEPServer[5]）對PLC 循環(huán)掃描,減輕了前端的運(yùn)算壓力。管理方式高效,代碼優(yōu)化程度高。

1.2 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示,PLC 通過西門子TCP/IP Ethernet 驅(qū)動和KEPServer（OPC 服務(wù)器）連接,建立Tag 標(biāo)簽與PLC 上的故障指示I/O 和中間變量匹配,并進(jìn)行分組。建立數(shù)據(jù)庫,將Tag 標(biāo)簽的NodeId 和相應(yīng)設(shè)備故障信息錄入數(shù)據(jù)庫。完成服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的部署工作后,軟件可直接運(yùn)行,并且每次使用前不需要重新部署。

點(diǎn)擊建立連接,軟件通過OPCUA 協(xié)議和OPC 服務(wù)器建立連接,同時建立與數(shù)據(jù)庫的連接。

點(diǎn)擊開始服務(wù),從數(shù)據(jù)庫表中獲取所有NodeId 并向OPC服務(wù)器請求訂閱。當(dāng)PLC 監(jiān)測點(diǎn)的值發(fā)生改變,OPC 服務(wù)器通過掃描獲得該變化,并向軟件發(fā)送相應(yīng)的NodeId 和值。軟件判斷該值是否為故障,通過數(shù)據(jù)庫取出該故障點(diǎn)的對應(yīng)的故障信息,顯示在軟件內(nèi)。同時將故障設(shè)備在區(qū)域圖上標(biāo)紅。

對故障信息通過REA 算法加簽、加時間戳的方式進(jìn)行加密,并轉(zhuǎn)化為哈希值發(fā)送到釘釘群服務(wù)器所在的OPI[6]接口。利用釘釘群機(jī)器人實(shí)現(xiàn)將故障位置、類型、地址等信息實(shí)時發(fā)送到釘釘群的功能。

點(diǎn)擊停止服務(wù),系統(tǒng)取消對OPC 服務(wù)器的訂閱并斷開和OPC 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫的連接。

圖1 系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)開發(fā)過程

利用Visual Studio2019 發(fā)開工具編寫基于C#的窗體程序,完成OPC 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的部署工作。根據(jù)程序主界面獲取用戶輸入的OPC 服務(wù)器地址建立連接,查詢獲取數(shù)據(jù)庫表中獲取所有NodeId 并向OPC 服務(wù)器請求訂閱。

當(dāng)PLC 監(jiān)測點(diǎn)的值發(fā)生改變,OPC 服務(wù)器通過掃描獲得該變化,并向軟件發(fā)送相應(yīng)的NodeId 和值。當(dāng)該值為TRUE 時,軟件判斷該點(diǎn)為故障,將故障點(diǎn)的NodeId 返回數(shù)據(jù)庫查詢其相關(guān)信息。將故障點(diǎn)在設(shè)備運(yùn)行情況示意圖上的對應(yīng)位置標(biāo)紅（如圖2 所示）同時生成故障提醒,通過RSA 算法加簽、加時間戳的方式進(jìn)行加密,并轉(zhuǎn)化為哈希值發(fā)送到釘釘群服務(wù)器所在的OPI 接口。利用釘釘群機(jī)器人實(shí)現(xiàn)將故障信息事實(shí)發(fā)送到釘釘群的功能。

圖2 軟件內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況示意圖

2 OPC UA 在故障監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

OPC 是用于在工業(yè)自動化領(lǐng)域和其他行業(yè)中安全可靠地交換數(shù)據(jù)的互操作性標(biāo)準(zhǔn)。它獨(dú)立于平臺,確保來自多個供應(yīng)商的設(shè)備之間的信息的無縫流動。OPC 基金會負(fù)責(zé)開發(fā)和維護(hù)本標(biāo)準(zhǔn)。

OPC 標(biāo)準(zhǔn)是由行業(yè)供應(yīng)商,最終用戶和軟件開發(fā)人員開發(fā)的一系列規(guī)范。這些規(guī)范定義了客戶端和服務(wù)器以及服務(wù)器和服務(wù)器之間的接口,包括訪問實(shí)時數(shù)據(jù),監(jiān)控報警和事件,訪問歷史數(shù)據(jù)和其他應(yīng)用程序。

OPC UA 的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要有：（1）與平臺無關(guān),支持跨平臺應(yīng)用,可應(yīng)用與任何系統(tǒng)上。（2）配置與維護(hù)更加方便。（3）通訊范圍更廣、通訊性能更強(qiáng)。（4）通訊更加安全。

2.1 OPC 服務(wù)器搭建

圖3 Navicat 管理Mysql 數(shù)據(jù)庫

西門子PLC S7-400 通過西門子TCP/IP Ethernet 驅(qū)動與KEPServer（OPC 服務(wù)器）相連,將KEPServer5 軟件部署在內(nèi)網(wǎng)虛擬機(jī)上,建立Tag 標(biāo)簽與PLC 上的故障指示I/O 和中間變量匹配,并進(jìn)行分組。

2.2 數(shù)據(jù)庫搭建

采用Mysql 數(shù)據(jù)庫服務(wù),通過Navicat 數(shù)據(jù)庫管理工具導(dǎo)入Tag 相關(guān)的NodeId 和故障信息（如圖3 所示）。

2.3 TCP/IP 協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)將設(shè)備報警信息編碼向釘釘服務(wù)器提供的OPI接口發(fā)送,需部署TCP/IP 協(xié)議。用于實(shí)現(xiàn)軟件接口的網(wǎng)絡(luò)功能及數(shù)據(jù)傳輸功能。TCP/IP 將應(yīng)用、表現(xiàn)、會談三層整合成一個應(yīng)用層,在應(yīng)用層上面可以實(shí)作的程序協(xié)議有HTTP, SMTP, DNS等等。傳送層則沒有變,不過依據(jù)傳送的可靠性又將封包格式分為連接導(dǎo)向的TCP 及非連接導(dǎo)向的UDP 封包格式。網(wǎng)絡(luò)層也沒有變,主要內(nèi)容是提供了IP 封包,并可選擇最佳路由來到達(dá)目標(biāo)IP 地址。使得軟件的網(wǎng)絡(luò)選擇更加穩(wěn)定。

2.4 軟件接口

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)接口

（1）OPCFoundation.NetStandard.Opc.Ua：用于介入OPCUA 協(xié)議與OPC 服務(wù)器的連接。（2）DingTalk OPI：用于向釘釘服務(wù)器發(fā)送推送消息,調(diào)用釘釘群機(jī)器人服務(wù)。

2.4.2 數(shù)據(jù)庫接口

MySql.Data：用于關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時更新。在數(shù)據(jù)封裝時,網(wǎng)絡(luò)分層中的每個層相互之間會用接口進(jìn)行交互并提供服務(wù),其中應(yīng)用層與用戶之間的接口稱之為應(yīng)用程序接口。API 實(shí)際上是一種功能集合,也可說是定義、協(xié)議的集合,無論是那種集合,它的實(shí)質(zhì)都是通過抽象為用戶屏蔽實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)和復(fù)雜性。

3 系統(tǒng)測試與應(yīng)用效果

目前,設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)已部署在配方庫的虛擬機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了對配方庫A 線、B 線、C 線、配方庫出庫、托盤回收等區(qū)域的全面監(jiān)控。收錄了配方庫PLC 上1235 個監(jiān)測點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控。本系統(tǒng)每100 毫秒對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時掃描。設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行示意圖（如圖4 所示）能夠直觀地反映設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài),故障發(fā)生的位置。改變了以往單調(diào)的文字描述,圖文并茂地展示故障信息,便于操作和維修人員迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行判斷。軟件采集的故障信息生成完備的日志文件,詳細(xì)記錄設(shè)備故障歷時,為統(tǒng)計、溯源、分析設(shè)備故障癥結(jié)提供了依據(jù)。

圖4 設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)界面

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時,本系統(tǒng)自動推送報警信息到釘釘群,手機(jī)釘釘客戶端收到了報警信息,如圖5 所示。本系統(tǒng)推送的故障信息歷史記錄將生成日志文件,可供后期查閱和整理。提高了生產(chǎn)管理效率,降低了生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險。

圖5 釘釘群消息推送頁面

4 結(jié)論

設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)解決了現(xiàn)場操作人員由于工作區(qū)域大無法一直實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的問題。使操作人員將更多的注意力放在對過程、工藝、產(chǎn)品質(zhì)量上,間接提升產(chǎn)品品質(zhì),同時解決了現(xiàn)場操作人員與維修人員溝通時對設(shè)備故障描述不準(zhǔn)確的問題。本系統(tǒng)有效地填補(bǔ)了中控系統(tǒng)對庫區(qū)設(shè)備的監(jiān)測空白,使得一些原本只能在現(xiàn)場觸摸屏上的故障信息可以在虛擬機(jī)上遠(yuǎn)程監(jiān)測。提供可視化界面輔助辨識,同時向手機(jī)實(shí)時推送報警信息。這一功能有效地避免了現(xiàn)場操作人員由于復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場情況而遺漏設(shè)備報警。

設(shè)備故障監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和使用,提高了生產(chǎn)管理效率,降低了生產(chǎn)事故發(fā)生的風(fēng)險,提高了故障判斷的準(zhǔn)確性,縮短了故障處理的時間,為生產(chǎn)計劃、統(tǒng)計提供了翔實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。也是徐州卷煙廠智能化、信息化的體現(xiàn)。