采用OPC統(tǒng)一架構(gòu)的鍛造車間能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)

焦瑀陽 李 麗 聶 華 周 麗 陳行政 李 濤

1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶，4007152.中國船舶重工股份有限公司重慶長征重工有限責任公司，重慶，400083

0 引言

鍛造是零件毛坯的一種加工方法，其成形質(zhì)量直接決定了零部件的精度、性能及壽命，是裝備制造、汽車、軍工、造船、航空航天等行業(yè)中的一種重要加工工藝[1]，例如，造船采用鍛造工序加工曲軸、曲柄[2]，航空航天使用了等溫鍛造技術(shù)、精密環(huán)軋技術(shù)[3]。我國重工企業(yè)在國家策略指引下，不斷引進新的工藝、加工設(shè)備，并對監(jiān)測指標進行更新。與此同時，各類底層新設(shè)備也帶來了很大的挑戰(zhàn)[4]，導(dǎo)致出現(xiàn)了以下問題：①鍛造工藝的生產(chǎn)線布置較長，車間占地面積大，新老設(shè)備間的互通較為困難；②歷史悠久的重工企業(yè)無法及時獲取生產(chǎn)中的各項能耗數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)實時管理與監(jiān)控，無法判斷出能耗損失的具體環(huán)節(jié)及原因[5]；③通信協(xié)議多樣，只能被動收集各種不同的通信數(shù)據(jù)來與底層設(shè)備匹配，延緩了車間信息化的建設(shè)進程。因此，必須攻克這些問題，實現(xiàn)鍛造工藝流程的能源利用高效化、能耗數(shù)據(jù)智能化，提高鍛造企業(yè)核心競爭力。

OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OLE for process control unified architecture，OPC UA)是一種機器對機器的通信技術(shù)，基于該技術(shù)，從傳感器到可編程機器的多個設(shè)備可通過一個通信線程連接起來[6]。監(jiān)控系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)和企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)在OPC UA的連接范圍內(nèi)，這些監(jiān)控系統(tǒng)既可以嵌入到生產(chǎn)資源中，也可以作為插件安裝[7]，通過其簡捷但強大的結(jié)構(gòu)，用于各種類型網(wǎng)絡(luò)的客戶端和服務(wù)器之間消息的通信，促進信息交換[8]。CAVALIERI等[9]提出的Web平臺能訪問一個或多個OPC服務(wù)器，通過Web交換信息。OPC UA的作用不僅僅是作為從設(shè)備到數(shù)字存儲的橋梁，通過其適用性，還可以完成從數(shù)字存儲到客戶端顯示的過程[10]。林博宇等[11]設(shè)計的一套鍛造車間數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)僅包含OPC UA協(xié)議采集接口，未涉及信息采集與交互的建模過程及具體應(yīng)用的場景。

綜上所述，數(shù)據(jù)采集及其標準化、可視化是實現(xiàn)鍛造車間信息化、智能化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。但是，目前國內(nèi)鍛造車間的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸匯總、能耗監(jiān)管相關(guān)研究較少。采用信息模型對車間的數(shù)據(jù)進行梳理和組織、標準化集成方案、統(tǒng)一信息交互模型，是解決上述問題的關(guān)鍵。針對鍛造車間的信息模型及其應(yīng)用開展研究，筆者提出采用OPC UA的鍛造車間能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)。

1 鍛造車間能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)需求分析

1.1 鍛造車間數(shù)據(jù)特點分析

鍛造車間中的重型設(shè)備眾多。鍛造加工、熱處理和機加工均屬于高能耗生產(chǎn)環(huán)節(jié)，車間造價高、占地面積大[12-13]，且車間中的加熱爐、電阻爐眾多，型號也各不相同，新購買的先進設(shè)備與原有老設(shè)備共存，這造成了整條鍛造生產(chǎn)線內(nèi)每個設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)采集難以實現(xiàn)，如何完成自動化和信息化是鍛造車間急需解決的一個重要問題?，F(xiàn)階段的信息化管理水平較低，往往只實現(xiàn)了生產(chǎn)線上硬件設(shè)備的自動化，生產(chǎn)線的信息管理依舊更多依賴人工的線下參與[14]，同時，生產(chǎn)物料信息和車間人員信息也較為繁雜。綜合以上分析得到鍛造流程中需采集及監(jiān)管的數(shù)據(jù)類型，如圖1所示。

圖1 鍛造流程數(shù)據(jù)類型Fig.1 Data types in forging process

1.2 能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)需求分析

結(jié)合鍛造生產(chǎn)線的生產(chǎn)特點可得系統(tǒng)的功能需求如下：

(1)在線監(jiān)測分析。從鍛造工藝、能源管網(wǎng)、設(shè)備實時工況等幾個層面全方位監(jiān)測并展示車間現(xiàn)場的實際能耗數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀況。

(2)信息查詢。能源類型、設(shè)備信息、查詢的起始時間和結(jié)束時間等信息的查詢結(jié)果以列表、曲線的形式展示。通過歷史數(shù)據(jù)查詢可查看任意設(shè)備的指定變量在選定時間段內(nèi)的分鐘級、小時級的數(shù)據(jù)，為異常原因分析提供依據(jù)。

(3)設(shè)備管理。設(shè)備檔案功能是實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的集中管理，有權(quán)限的用戶可在線修改設(shè)備的固有屬性、特殊參數(shù)等信息。通過設(shè)置設(shè)備類型、能源類型對當前分析對象進行篩選，選擇需要錄入的設(shè)備名稱。

(4)報警管理。報警記錄主要是對設(shè)置的報警信息(包括實時報警信息和歷史報警信息)進行集中管理。管理人員可根據(jù)需求對設(shè)備的報警條件進行增刪改操作；通過設(shè)置相應(yīng)的報警條件，達到關(guān)聯(lián)提醒、控制操作和節(jié)能分析的目的。

2 能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過工業(yè)以太網(wǎng)和通信技術(shù)可將捕獲的數(shù)據(jù)傳輸并存儲到企業(yè)數(shù)據(jù)庫，同時進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，為進一步的數(shù)據(jù)挖掘和決策提供有效可靠的數(shù)據(jù)支持。所挖掘的結(jié)果將為節(jié)能減排的優(yōu)化控制和決策提供有價值的信息。

2.1 鍛造車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)感知與獲取整體架構(gòu)

如圖2所示，整個多源異構(gòu)數(shù)據(jù)感知與獲取架構(gòu)分為硬件層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、功能層、應(yīng)用管理層。

圖2 鍛造車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的感知與獲取整體架構(gòu)Fig.2 Overall architecture of multi-sourceheterogeneous data perception and acquisition inforging workshop

(1)硬件層是鍛造生產(chǎn)線的執(zhí)行資源，包括模鍛、自由鍛所需的加熱爐、回火爐等設(shè)備，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、決策等一切后期分析的實體基礎(chǔ)。

(2)數(shù)據(jù)采集層在分布式、動態(tài)制造環(huán)境中配置物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，捕獲空間維度(機器、車間、工廠、系統(tǒng))、數(shù)據(jù)維度(工廠信息、訂單信息、能源信息)和時間維度(分、時、日、月)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)層根據(jù)不同的應(yīng)用目標，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集清理、集成并存儲在不同的企業(yè)數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)功能層的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持。

(4)功能層從區(qū)域、班組、工序、單耗等方面進行多維度的分析。監(jiān)控室的監(jiān)測計算機提供直觀的人機交互接口來實現(xiàn)與控制計算機的數(shù)據(jù)交互，通過界面實時顯示鍛造過程中產(chǎn)生的各種傳感器參數(shù)。

(5)應(yīng)用管理層實現(xiàn)能耗信息的分析和診斷，實現(xiàn)實時監(jiān)測、能耗分析、節(jié)能診斷，優(yōu)化企業(yè)現(xiàn)有的能源運營控制策略，達到節(jié)能降耗的目的。

2.2 鍛造車間數(shù)據(jù)傳輸路線

如圖3所示，智能儀表(電流互感器、燃氣輪機流量計、水系統(tǒng)電磁流量計、污水在線監(jiān)測儀)用于監(jiān)控和捕獲生產(chǎn)過程中的能耗數(shù)據(jù)，搭建大型構(gòu)件離散制造工廠能源的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)能源及環(huán)境排放數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。通過編寫相關(guān)通信協(xié)議接口，基于.NET平臺，設(shè)計C+語言的采集程序，將車間各個設(shè)備的數(shù)據(jù)采集至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進行存儲。

圖3 面向鍛造車間的數(shù)據(jù)傳輸路線Fig.3 Data transmission route of forging workshop

3 采用OPC UA的能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

鍛造車間具有多種能源介質(zhì)，這些能耗數(shù)據(jù)需要從工廠的制造設(shè)備(回火爐、加熱爐、模鍛錘等)、供配電系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)及車間污水處理站獲取。在車間硬件層，通過TCP/IP協(xié)議連接相應(yīng)的數(shù)控設(shè)備，通過設(shè)備的私有協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集，其具體技術(shù)方案的實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 基于OPC UA的鍛造車間數(shù)據(jù)通信流程Fig.4 Data communication process of forgingworkshop based on OPC UA

3.1 采用OPC UA的鍛造車間能耗數(shù)據(jù)對象的語義模型

由于鍛造車間涉及的能耗數(shù)據(jù)項較多，為更好地表達車間數(shù)據(jù)對象類型和各個監(jiān)測系統(tǒng)對象之間的聯(lián)系，并對后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸提供有效的支持，將車間的用水量監(jiān)測系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、天然氣用量監(jiān)測系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)及其相關(guān)數(shù)據(jù)中的部分代表項進行列舉。根據(jù)鍛造車間的主要監(jiān)控需求來創(chuàng)建其OPC UA語義模型，通過該語義模型實現(xiàn)對鍛造車間各監(jiān)測點對象狀態(tài)的有效監(jiān)測，并建立圖5所示的OPC UA語義模型。

圖5 鍛造車間數(shù)據(jù)對象的OPC UA語義模型Fig.5 Hierarchical model of OPC UA for data objects in forging workshop

3.2 基于OPC UA的鍛造車間信息建模流程

監(jiān)測點應(yīng)用程序在監(jiān)測采集模塊中運行，該監(jiān)測點提供用來定義所需采集數(shù)據(jù)的終端。自由鍛車間、模鍛車間及下料工段實現(xiàn)所需功能的OPC UA應(yīng)用場景如圖6所示。采集終端以同樣的方式工作，應(yīng)用程序只需開發(fā)一次即可適用于所有的能耗監(jiān)測采集模塊，可使用類型層次結(jié)構(gòu)暴露的信息，讓客戶端程序使用基礎(chǔ)類型的定義，并根據(jù)這些父類型進行編程。

圖6 OPC UA在鍛造車間中的應(yīng)用場景Fig.6 Application scenarios of OPC UA in forging workshop

鍛造車間用電量監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)層次類型如圖7所示。監(jiān)測采集點有一個基本的抽象類型，可被各個監(jiān)測點模塊引用，獲取用電量監(jiān)測點的設(shè)備工作狀態(tài)，進行電能監(jiān)測。功率監(jiān)測點是用電量監(jiān)測點的一個子類型，它繼承了用電量監(jiān)測點的基本特征，通過在枚舉字符串中增加額外的狀態(tài)，重載功率監(jiān)測點的狀態(tài)。電能監(jiān)測點繼承了同樣的功能，但未進行狀態(tài)重載。電能監(jiān)測點增加了有功電能和頻率的設(shè)定點，功率監(jiān)測點增加了有用功率設(shè)定點。應(yīng)用程序關(guān)注用電量的采集，它基于抽象的用電量監(jiān)測點編程，并在運行時使用電能監(jiān)測點或功率監(jiān)測點的具體實例。

圖7 鍛造車間中用電量監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)層次類型Fig.7 Structure level type of power consumptionmonitoring points in forging workshop

如圖8所示，連通性層次結(jié)構(gòu)使用Connects引用連接IO模塊和設(shè)備，鍛造車間拓撲使用Contains引用從廠房指向設(shè)備。監(jiān)測點變量使用非層次化引用Signal指向設(shè)備變量，這種類型的引用意味著設(shè)備的測量值被監(jiān)測點使用。所有這些引用類型都是新創(chuàng)建的，而不在OPC UA規(guī)范中，因此，鍛造車間并不總是需要提供新的引用類型。

圖8 地址空間中的鍛造車間設(shè)備Fig.8 Forging workshop equipment in the address space

3.3 基于OPC UA的設(shè)備數(shù)據(jù)采集與交互

聚合服務(wù)整體服務(wù)器模式如圖9所示，普通的OPC UA用戶端首先與含有嵌入式OPC UA客戶端的OPC UA服務(wù)器1進行對話。在響應(yīng)發(fā)給普通客戶端之前，中間客戶端已準備好從其他服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)，或已對這些數(shù)據(jù)完成了處理。每個聚合服務(wù)器都對生產(chǎn)過程的某個指定部分負責。一旦它們完成自身任務(wù)，就將結(jié)果返回給OPC UA服務(wù)器1，這些結(jié)果構(gòu)成了對普通服務(wù)器的響應(yīng)。

圖9 聚合服務(wù)器模式Fig.9 Mode of aggregation server

響應(yīng)發(fā)送給普通客戶端之前，從聚合服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)需由客戶端或服務(wù)器進行分析，以便獲取生產(chǎn)的產(chǎn)品類型與數(shù)量等多種信息[15]。服務(wù)器1處理請求并分發(fā)子任務(wù)給基礎(chǔ)服務(wù)器，OPC UA服務(wù)器發(fā)生更改，觸發(fā)數(shù)據(jù)更改函數(shù)并返回相應(yīng)的OPC UA項值[16]。設(shè)備的數(shù)據(jù)采集交互流程如圖10所示。

圖10 設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、交互流程Fig.10 Data collection and interaction processof equipment

可擴展標記語言(extensible markup language，XML)具有良好的擴展性，是目前廣泛應(yīng)用的中性數(shù)據(jù)描述語言[17]。通過信息模型編輯器建立車間信息模型并生成鍛造車間信息模型的XML描述文件。

4 應(yīng)用案例

某公司鍛造車間的工藝流程和生產(chǎn)線布局如圖11、圖12所示。

圖11 鍛造車間的工藝流程Fig.11 Process flow of forging workshop

圖12 鍛造生產(chǎn)線平面布置Fig.12 Layout of forging production line

4.1 鍛造工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集架構(gòu)布置

以該鍛造車間為基礎(chǔ)，基于數(shù)據(jù)感知與獲取方法，通過布置132個電量監(jiān)測點、19個天然氣流量監(jiān)測點、1個自來水流量監(jiān)測點完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集及傳輸，布置車間總能源管網(wǎng)如圖13所示。

圖13 鍛造車間總數(shù)據(jù)傳輸路線布置Fig.13 Layout of total data transmission routein forging workshop

4.2 能源平衡分析驗證

考慮到數(shù)據(jù)來源的復(fù)雜性、各車間和各工段數(shù)據(jù)描述方式的差異性，以及接入、傳輸過程中可能存在的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換誤差[18]，通過以下三種方法進行常規(guī)校驗，避免錯誤或無效數(shù)據(jù)。

(1)個體校驗。鍛造車間需采集的各類數(shù)據(jù)通常具有合理、有效的范圍，比如電阻爐的發(fā)熱功率具有非負性，且一般小于裝機容量。

(2)邏輯校驗。鍛造車間各工段數(shù)據(jù)的之間存在邏輯關(guān)系，例如模鍛車間的拋丸工藝和打磨工藝。一次下料后，拋丸機組用電量為零時，打磨機組用電量一定為零。

(3)時間校驗。結(jié)合鍛造車間的數(shù)據(jù)之間關(guān)系進行多點關(guān)聯(lián)校驗。例如，鍛件公司的某一節(jié)點單位在某一天內(nèi)的總用電量應(yīng)等于其各工段的用電量之和，因此，可以利用數(shù)據(jù)間的時間節(jié)點關(guān)系，保證數(shù)據(jù)的準確性。

取鍛造車間2020年9月27日的用電量來驗證準確性，該日平衡分析的準確性達到96.54%，如表1所示。

表1 鍛造車間2020年9月27日的能源平衡分析列表

4.3 鍛造車間監(jiān)控與管理

如圖14所示，監(jiān)控內(nèi)容包括設(shè)備實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備信息查詢、設(shè)備管理、報警提醒等。其中,監(jiān)測對象主要包括加熱爐、燃氣爐、單點壓力機、曲柄壓力機、退火爐、電阻爐、空壓機、加熱爐、模鍛錘等。

(a)鍛造車間現(xiàn)場 (b)實時功率總和

(c)數(shù)據(jù)采集客戶端圖14 鍛造車間現(xiàn)場與監(jiān)控Fig.14 Monitoring and management of forging workshop

如圖15所示，PC端可查看數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、統(tǒng)計及歷史能耗數(shù)據(jù)。企業(yè)可第一時間了解到高能耗設(shè)備數(shù)據(jù)異常、未工作持續(xù)耗電等情況，從而減少浪費、減少排放、降低成本。

(a)鍛件公司8月17日至8月18日正向有功電能(EPI)各小時數(shù)據(jù)平均值走勢圖

(b)鍛件公司模鍛車間及下料工段8月天然氣標況流量(QBT)各日數(shù)據(jù)平均值走勢圖圖15 鍛造車間管理層PC端頁面Fig.15 The PC page of the management of the forging workshop

5 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)鍛造車間設(shè)備之間較為分散、廠房面積過大的情況，搭建了面向鍛造車間的能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)管系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和存儲。

(2)結(jié)合鍛造車間的實際應(yīng)用場景，介紹了地址空間中的結(jié)構(gòu)層次類型，建立了基于OPC UA的信息交互模型。

(3)針對某鍛造車間現(xiàn)場條件，完成了數(shù)字化車間信息模型的實例化，證明了信息模型的實用性和數(shù)據(jù)的準確性。生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時反映鍛造生產(chǎn)的狀態(tài)，為管理者提供有價值的及時決策輔助，避免浪費，驗證了信息模型結(jié)合OPC UA協(xié)議實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通與管理人員監(jiān)控的可行性。