基于OPC UA的纖維纏繞機(jī)信息模型開發(fā)和應(yīng)用

田會(huì)方，李勇清，吳迎峰

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 前言

纖維復(fù)合材料具有耐高溫、比強(qiáng)度高、質(zhì)地輕、化學(xué)性能穩(wěn)定等高性能，是我國(guó)的重大戰(zhàn)略實(shí)施方向[1]。復(fù)合材料的各種加工方法在不斷地更新?lián)Q代中，其中纖維纏繞工藝是生產(chǎn)壓力氣瓶未來的應(yīng)用方向之一[2]，優(yōu)良的工藝是保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵，因此文中針對(duì)纏繞機(jī)的信息模型系統(tǒng)進(jìn)行研究。

文中的研究對(duì)象是纖維纏繞機(jī)，當(dāng)前的纖維纏繞加工設(shè)備中存在各式各樣的輔助設(shè)備，因?yàn)椴煌a(chǎn)廠家間設(shè)備的通信協(xié)議及其接口的差異性[3]，使得對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問和采集具有很大的困難。因此OPC基金會(huì)提出了OPC UA[4]，它是一種全新的、通用的工業(yè)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目的在于解決各類設(shè)備通信協(xié)議數(shù)據(jù)的異構(gòu)性問題，使用統(tǒng)一的架構(gòu)進(jìn)行通信，管理層和底層設(shè)備采用服務(wù)器/客戶端的交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互聯(lián)互通，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)加工系統(tǒng)提供可能[5-8]。

本文作者針對(duì)纏繞機(jī)建立信息模型和開發(fā)OPC UA服務(wù)器和客戶端，分析纏繞機(jī)的各個(gè)底層物理設(shè)備的組成架構(gòu)、功能和每個(gè)設(shè)備之間的關(guān)系后，建立符合OPC UA標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)控機(jī)床國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的纏繞機(jī)信息模型，并對(duì)設(shè)備的信息模型的各類組成元素和結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射分析，使系統(tǒng)內(nèi)的所有的物理設(shè)備的信息流均采用統(tǒng)一的規(guī)范和相同的語(yǔ)義對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例化，描述成可以供UA服務(wù)器讀取的信息模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通[9]。最后，基于開源項(xiàng)目open62541，根據(jù)相關(guān)規(guī)則開發(fā)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器[10]，將服務(wù)器連接客戶端后，實(shí)現(xiàn)客戶端訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)的功能以及實(shí)時(shí)監(jiān)控纏繞機(jī)加工過程的目的[11]。

1 纖維纏繞機(jī)介紹

由圖1可知，纏繞機(jī)分為數(shù)控系統(tǒng)和輔助設(shè)備2個(gè)部分，其中數(shù)控系統(tǒng)分為3個(gè)部分，分別是控制器、伺服控制系統(tǒng)和I/O控制單元[12]。

圖1 纏繞機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

工控機(jī)作為上位機(jī)，它是纏繞機(jī)的人機(jī)交互平臺(tái)，用戶可通過UI界面實(shí)現(xiàn)纏繞機(jī)的指令操作、運(yùn)行程序的查看、加工數(shù)據(jù)的監(jiān)控等功能。運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制器，它是纏繞機(jī)伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制單元，通過接收工控機(jī)的控制指令/信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。伺服控制系統(tǒng)是4套伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電機(jī)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行纏繞，主軸電機(jī)負(fù)責(zé)制品繞軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，小車電機(jī)負(fù)責(zé)沿制品軸線做直線往返運(yùn)動(dòng)，伸臂電機(jī)負(fù)責(zé)沿制品徑向做前進(jìn)和后退直線運(yùn)動(dòng)，絲嘴電機(jī)負(fù)責(zé)將纖維束做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。I/O控制單元由用戶手動(dòng)操作進(jìn)行控制模式、纏繞啟動(dòng)/停止、主軸正反轉(zhuǎn)等控制。

輔助設(shè)備主要由膠槽加熱系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)組成。膠槽加熱系統(tǒng)由膠槽、熱電偶和溫度控制儀組成，其作用是控制膠液的溫度便于膠液均勻穩(wěn)定地粘附在纖維束上，以保證纏繞制品耐壓能力的均衡性。張力控制系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、纖維收放輥、壓力傳感器、運(yùn)動(dòng)控制器等組成，其作用是合理地控制纖維束的表面張力，避免過大或過小的張力影響制品質(zhì)量[13]。

2 纏繞系統(tǒng)信息模型建立

2.1 信息模型元素和架構(gòu)

OPC UA的信息模型是OPC UA的兩大核心功能之一，其定義了OPC UA的模型建立規(guī)則、模型架構(gòu)的組件原則、地址空間信息等基本概念，它是對(duì)纏繞機(jī)組成構(gòu)架、功能和子模塊之間抽象化描述的關(guān)鍵。因此在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息模型建立時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)要點(diǎn)[14-15]：

(1)可靈活擴(kuò)展。由于不同加工車間之間的底層物理設(shè)備種類和生產(chǎn)的規(guī)模大小存在差異，因此建立的信息模型架構(gòu)應(yīng)該靈活簡(jiǎn)便，便于后續(xù)開發(fā)人員靈活擴(kuò)展和升級(jí)。

(2)完整性。建立的信息模型架構(gòu)應(yīng)該盡可能完整地將實(shí)際車間各個(gè)設(shè)備的功能和屬性以及各設(shè)備之間的關(guān)系反映出來，完整的信息模型可以使客戶端獲取更多的纏繞機(jī)加工信息數(shù)據(jù)。

(3)子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性?？紤]到實(shí)際加工車間的數(shù)據(jù)和信息的復(fù)雜性，在建立車間的信息模型系統(tǒng)之前應(yīng)該細(xì)分其子系統(tǒng)，將子系統(tǒng)模型之間的關(guān)系羅列好，再進(jìn)一步建立好系統(tǒng)整體的信息模型。

2.2 纏繞機(jī)信息模型

OPC UA信息建模的思想是面向?qū)ο骩16]，OPC基金會(huì)雖然公布了OPC UA規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是對(duì)于具體的行業(yè)和設(shè)備卻沒有提出一個(gè)統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)。因此，在建立實(shí)際設(shè)備的信息模型時(shí)，除了需要遵守OPC UA規(guī)范外，還需要參考相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)學(xué)習(xí)現(xiàn)有的建模思想，建立符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和具有實(shí)際應(yīng)用意義的纏繞機(jī)信息模型。

纏繞機(jī)主要有數(shù)控系統(tǒng)、膠槽加熱系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，圖2所示纏繞機(jī)的信息模型功能組件集分為三部分。數(shù)控系統(tǒng)的靜態(tài)屬性集有纏繞程序信息、伺服系統(tǒng)電機(jī)的屬性數(shù)據(jù)、機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)屬性等；過程屬性集包含機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)的信息、各電機(jī)軸的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)、機(jī)床的故障診斷信息；資源組件集包含芯模的尺寸參數(shù)材料等信息、裝夾方式和夾緊裝置的信息。膠槽加熱系統(tǒng)的靜態(tài)屬性集有膠液的種類和配比等信息、膠槽的機(jī)械結(jié)構(gòu)信息、溫控儀的實(shí)際溫度和設(shè)定溫度等信息；過程屬性集有溫控儀的運(yùn)行狀態(tài)、膠液的濃稠度和含量等。張力系統(tǒng)的靜態(tài)屬性集有張力參數(shù)、電機(jī)系統(tǒng)、壓力傳感器參數(shù)等；過程屬性集有電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、纖維張力狀態(tài)、傳感器狀態(tài)等信息。

(1)伺服系統(tǒng)的信息模型

數(shù)控系統(tǒng)主要由4套伺服驅(qū)動(dòng)器及其電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成，4套伺服電機(jī)構(gòu)成了纏繞機(jī)的4個(gè)自由度。將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)抽象為伺服系統(tǒng)類型的對(duì)象類型，主要包含了4個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象、當(dāng)前位置對(duì)象、系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)象、全局控制對(duì)象、設(shè)備故障事件對(duì)象類型等，伺服系統(tǒng)的信息模型如圖3所示。

圖 2 纏繞機(jī)信息模型結(jié)構(gòu)層次

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)信息模型

驅(qū)動(dòng)對(duì)象具有軸驅(qū)動(dòng)自定義對(duì)象類型，軸驅(qū)動(dòng)類型包含位置、絕對(duì)位置、誤差、相對(duì)位置、速度、JOG速度和加速度等變量以及正反轉(zhuǎn)、回原點(diǎn)等方法。當(dāng)前位置對(duì)象含有自定義位置類型，包含主軸C軸角度、小車Z軸位移、伸臂X軸位移和絲嘴A軸角度等位置變量。全局控制對(duì)象主要作用是實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的控制功能，包含連接/斷開運(yùn)動(dòng)卡、伺服上電/斷電、復(fù)位、清零和回原點(diǎn)等方法。

(2)傳感器設(shè)備類型

纏繞機(jī)的傳感器有監(jiān)測(cè)膠液溫度的溫度傳感器、纖維張力的壓力傳感器、數(shù)控系統(tǒng)位移限制的接近開關(guān)傳感器等。這些傳感器種類只需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取操作，不需要具備控制功能，因此可以歸納為同一對(duì)象節(jié)點(diǎn)類型，圖4所示為傳感器信息模型的類型化，傳感器繼承于傳感器類型(SensorType)，傳感器類型又繼承于傳感器設(shè)備類型。

圖4 傳感器類型實(shí)例化

根據(jù)傳感器的種類建立傳感器的變量節(jié)點(diǎn)，主要有傳感器編號(hào)、傳感器名稱、傳感器種類、采集位置、采集間隔時(shí)間、采集數(shù)據(jù)的時(shí)間、采集數(shù)據(jù)值、設(shè)定值、單位、運(yùn)行狀態(tài)等，由表1可查看傳感器各節(jié)點(diǎn)的定義。

表1 傳感器節(jié)點(diǎn)定義

(3)電機(jī)設(shè)備類型

纏繞機(jī)的數(shù)控電機(jī)主要是4套交流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由圖1所示的纖維纏繞機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)可知：其分別是主軸電機(jī)、小車電機(jī)、伸臂電機(jī)、絲嘴電機(jī)，這4套電機(jī)均屬于同一種類，因此歸為電機(jī)類型(MotorType)這一對(duì)象節(jié)點(diǎn)類型。此外，還有張力控制系統(tǒng)中的伺服電機(jī)用于控制纖維張力。圖5所示為電機(jī)的信息模型的類型實(shí)例。

圖5 電機(jī)類型實(shí)例

根據(jù)電機(jī)的功能屬性建立電機(jī)的變量節(jié)點(diǎn)，主要有電機(jī)編號(hào)、電機(jī)名稱、電機(jī)種類、采集位置、采集間隔、采集時(shí)間、采集數(shù)據(jù)值、單位、故障代碼；由于還需要控制電機(jī)，因此需要建立方法節(jié)點(diǎn)，方法變量種類有電機(jī)轉(zhuǎn)向、控制方法、啟?？刂?。由表2可查看電機(jī)各節(jié)點(diǎn)的定義描述。

表2 電機(jī)節(jié)點(diǎn)定義

2.3 信息模型的建立流程

(1)根據(jù)纏繞車間各個(gè)設(shè)備的使用功能和相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分析纏繞機(jī)的各個(gè)設(shè)備類型、設(shè)備屬性和設(shè)備之間的關(guān)系；

(2)根據(jù)OPC UA相關(guān)規(guī)范定義和基本的建模準(zhǔn)則，建立底層設(shè)備的類型模型；

(3)繪制纏繞機(jī)各個(gè)設(shè)備的信息模型實(shí)例化圖；

(4)使用opcua-modeler信息模型建模工具建立纏繞機(jī)的信息模型，圖6所示為纏繞機(jī)系統(tǒng)信息模型軟件截圖；

圖6 纏繞機(jī)opcua-modeler信息模型

(5)將系統(tǒng)的模型完整地實(shí)例化，保存并導(dǎo)出為XML文檔。

3 監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)

3.1 基于OPC UA SDK的服務(wù)器開發(fā)和實(shí)現(xiàn)

OPC UA通信交互方式采用C/S服務(wù)架構(gòu)，服務(wù)器向下獲取底層加工系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)，向上用于響應(yīng)客戶端服務(wù)請(qǐng)求并提供相應(yīng)的功能和控制方法；客戶端通過向服務(wù)器發(fā)送命令請(qǐng)求來完成用戶所需的服務(wù)請(qǐng)求[17]。

UA服務(wù)器基于開源項(xiàng)目open62541進(jìn)行開發(fā)。open62541是基于C(C99)的開源免費(fèi)的OPC UA項(xiàng)目，被廣大學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和使用。文中基于此方法開發(fā)符合規(guī)范的UA服務(wù)器，以下是UA服務(wù)器開發(fā)的步驟：

(1)在GitHub網(wǎng)站上搜索下載open62541源碼壓縮包后進(jìn)行環(huán)境配置和編譯；

(2)open62541的子模塊ua-nodeset可以生成用戶自定義的namespace，可以將opcua-modeler生成的纏繞機(jī)XML文檔轉(zhuǎn)換成C源代碼；

(3)實(shí)例化自定義的纏繞機(jī)信息模型，將信息模型源代碼導(dǎo)入到OPC UA Server地址空間中；

(4)將實(shí)際纏繞機(jī)的各類加工數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)等和各個(gè)信息模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射，導(dǎo)出并保存到文檔中；

(5)使用客戶端連接服務(wù)器后，客戶端通過服務(wù)器查詢各個(gè)節(jié)點(diǎn)變量的數(shù)據(jù)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)加工過程的數(shù)據(jù)監(jiān)視。

3.2 監(jiān)控平臺(tái)實(shí)例分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證開發(fā)的纏繞機(jī)UA服務(wù)器的可行性，配置好服務(wù)器IP地址、初始化等信息，啟動(dòng)UA服務(wù)器和客戶端，客戶端根據(jù)服務(wù)器的IP地址連接服務(wù)器。

客戶端可以查看服務(wù)器的地址空間的節(jié)點(diǎn)信息，圖7所示UI界面左側(cè)可查看纏繞機(jī)的模型架構(gòu)，主要由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、I/O狀態(tài)控制、壓力傳感器和熱電偶等物理設(shè)備組成。同時(shí)將需要監(jiān)視的加工變量數(shù)據(jù)如小車位移、運(yùn)動(dòng)卡的連接狀態(tài)、膠槽熱電偶溫度等移至圖7右上側(cè)進(jìn)行查看。程序界面如圖7右下側(cè)所示，可監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主軸角度、小車位移、伸臂位移、絲嘴翻轉(zhuǎn)角度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)象以及查看加工芯模的直徑、長(zhǎng)度、兩端極孔直徑、兩端封頭的長(zhǎng)短軸比等加工工藝參數(shù)。

圖7 客戶端瀏覽查看界面

切換到圖8所示的程序管理頁(yè)面，主要作用是顯示和管理系統(tǒng)的加工纏繞程序以及對(duì)當(dāng)前程序的查看和處理，其中包括客戶端與服務(wù)器之間將所需加工的程序傳輸和增刪等編輯功能。

圖8 程序管理頁(yè)面

4 結(jié)論

文中基于OPC UA技術(shù)，以纖維纏繞機(jī)及其輔助設(shè)備為研究對(duì)象，主要對(duì)纏繞機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和各類傳感器和電機(jī)進(jìn)行信息模型的建立。以開源項(xiàng)目open62541為基礎(chǔ)，開發(fā)出符合UA規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器，通過使用OPC UA客戶端連接服務(wù)器來獲取機(jī)床的各類加工數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)證明了建立的信息模型、開發(fā)的服務(wù)器和客戶端具有可行性，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的信息模型進(jìn)行擴(kuò)展來獲取更多的加工數(shù)據(jù)。