基于OPC UA的纖維纏繞機信息模型開發和應用

田會方，李勇清，吳迎峰

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

0 前言

纖維復合材料具有耐高溫、比強度高、質地輕、化學性能穩定等高性能，是我國的重大戰略實施方向[1]。復合材料的各種加工方法在不斷地更新換代中，其中纖維纏繞工藝是生產壓力氣瓶未來的應用方向之一[2]，優良的工藝是保證制品質量的關鍵，因此文中針對纏繞機的信息模型系統進行研究。

文中的研究對象是纖維纏繞機，當前的纖維纏繞加工設備中存在各式各樣的輔助設備，因為不同生產廠家間設備的通信協議及其接口的差異性[3]，使得對現有設備進行實時數據訪問和采集具有很大的困難。因此OPC基金會提出了OPC UA[4]，它是一種全新的、通用的工業通信協議標準，目的在于解決各類設備通信協議數據的異構性問題，使用統一的架構進行通信，管理層和底層設備采用服務器/客戶端的交互機制，實現設備間的互聯互通，為實時監測生產加工系統提供可能[5-8]。

本文作者針對纏繞機建立信息模型和開發OPC UA服務器和客戶端，分析纏繞機的各個底層物理設備的組成架構、功能和每個設備之間的關系后，建立符合OPC UA標準和數控機床國家標準的纏繞機信息模型，并對設備的信息模型的各類組成元素和結構進行映射分析，使系統內的所有的物理設備的信息流均采用統一的規范和相同的語義對系統進行實例化，描述成可以供UA服務器讀取的信息模型，實現整個系統內各種設備的信息數據的互聯互通[9]。最后，基于開源項目open62541，根據相關規則開發對應的服務器[10]，將服務器連接客戶端后，實現客戶端訪問服務器數據的功能以及實時監控纏繞機加工過程的目的[11]。

1 纖維纏繞機介紹

由圖1可知，纏繞機分為數控系統和輔助設備2個部分，其中數控系統分為3個部分，分別是控制器、伺服控制系統和I/O控制單元[12]。

圖1 纏繞機控制系統架構

工控機作為上位機，它是纏繞機的人機交互平臺，用戶可通過UI界面實現纏繞機的指令操作、運行程序的查看、加工數據的監控等功能。運動控制卡作為控制器，它是纏繞機伺服系統的運動控制單元，通過接收工控機的控制指令/信號實現對伺服控制系統的運動控制。伺服控制系統是4套伺服驅動器和交流伺服電機組成的執行機構，電機按照一定的運動規律進行纏繞，主軸電機負責制品繞軸線做圓周運動，小車電機負責沿制品軸線做直線往返運動，伸臂電機負責沿制品徑向做前進和后退直線運動，絲嘴電機負責將纖維束做翻轉運動。I/O控制單元由用戶手動操作進行控制模式、纏繞啟動/停止、主軸正反轉等控制。

輔助設備主要由膠槽加熱系統和張力控制系統組成。膠槽加熱系統由膠槽、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。張力控制系統主要由伺服電機、纖維收放輥、壓力傳感器、運動控制器等組成，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量[13]。

2 纏繞系統信息模型建立

2.1 信息模型元素和架構

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的模型建立規則、模型架構的組件原則、地址空間信息等基本概念，它是對纏繞機組成構架、功能和子模塊之間抽象化描述的關鍵。因此在對系統進行信息模型建立時，應當注意以下幾個要點[14-15]：

(1)可靈活擴展。由于不同加工車間之間的底層物理設備種類和生產的規模大小存在差異，因此建立的信息模型架構應該靈活簡便，便于后續開發人員靈活擴展和升級。

(2)完整性。建立的信息模型架構應該盡可能完整地將實際車間各個設備的功能和屬性以及各設備之間的關系反映出來，完整的信息模型可以使客戶端獲取更多的纏繞機加工信息數據。

(3)子系統的關聯性?？紤]到實際加工車間的數據和信息的復雜性，在建立車間的信息模型系統之前應該細分其子系統，將子系統模型之間的關系羅列好，再進一步建立好系統整體的信息模型。

2.2 纏繞機信息模型

OPC UA信息建模的思想是面向對象[16]，OPC基金會雖然公布了OPC UA規范標準，但是對于具體的行業和設備卻沒有提出一個統一的建模標準。因此，在建立實際設備的信息模型時，除了需要遵守OPC UA規范外，還需要參考相應的行業標準以及國家標準，同時學習現有的建模思想，建立符合標準規范和具有實際應用意義的纏繞機信息模型。

纏繞機主要有數控系統、膠槽加熱系統和張力控制系統3個子系統，圖2所示纏繞機的信息模型功能組件集分為三部分。數控系統的靜態屬性集有纏繞程序信息、伺服系統電機的屬性數據、機床的機械系統各個參數屬性等；過程屬性集包含機床運行狀態的信息、各電機軸的運行狀態和運行參數、機床的故障診斷信息；資源組件集包含芯模的尺寸參數材料等信息、裝夾方式和夾緊裝置的信息。膠槽加熱系統的靜態屬性集有膠液的種類和配比等信息、膠槽的機械結構信息、溫控儀的實際溫度和設定溫度等信息；過程屬性集有溫控儀的運行狀態、膠液的濃稠度和含量等。張力系統的靜態屬性集有張力參數、電機系統、壓力傳感器參數等；過程屬性集有電機運行狀態、纖維張力狀態、傳感器狀態等信息。

(1)伺服系統的信息模型

數控系統主要由4套伺服驅動器及其電機和運動控制卡組成，4套伺服電機構成了纏繞機的4個自由度。將伺服驅動系統抽象為伺服系統類型的對象類型，主要包含了4個驅動對象、當前位置對象、系統狀態對象、全局控制對象、設備故障事件對象類型等，伺服系統的信息模型如圖3所示。

圖 2 纏繞機信息模型結構層次

圖3 伺服驅動系統信息模型

驅動對象具有軸驅動自定義對象類型，軸驅動類型包含位置、絕對位置、誤差、相對位置、速度、JOG速度和加速度等變量以及正反轉、回原點等方法。當前位置對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。全局控制對象主要作用是實現運動控制卡對伺服驅動的控制功能，包含連接/斷開運動卡、伺服上電/斷電、復位、清零和回原點等方法。

(2)傳感器設備類型

纏繞機的傳感器有監測膠液溫度的溫度傳感器、纖維張力的壓力傳感器、數控系統位移限制的接近開關傳感器等。這些傳感器種類只需要進行數據的讀取操作，不需要具備控制功能，因此可以歸納為同一對象節點類型，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備類型。

圖4 傳感器類型實例化

根據傳感器的種類建立傳感器的變量節點，主要有傳感器編號、傳感器名稱、傳感器種類、采集位置、采集間隔時間、采集數據的時間、采集數據值、設定值、單位、運行狀態等，由表1可查看傳感器各節點的定義。

表1 傳感器節點定義

(3)電機設備類型

纏繞機的數控電機主要是4套交流伺服驅動電機，由圖1所示的纖維纏繞機控制系統架構可知：其分別是主軸電機、小車電機、伸臂電機、絲嘴電機，這4套電機均屬于同一種類，因此歸為電機類型(MotorType)這一對象節點類型。此外，還有張力控制系統中的伺服電機用于控制纖維張力。圖5所示為電機的信息模型的類型實例。

圖5 電機類型實例

根據電機的功能屬性建立電機的變量節點，主要有電機編號、電機名稱、電機種類、采集位置、采集間隔、采集時間、采集數據值、單位、故障代碼；由于還需要控制電機，因此需要建立方法節點，方法變量種類有電機轉向、控制方法、啟?？刂?。由表2可查看電機各節點的定義描述。

表2 電機節點定義

2.3 信息模型的建立流程

(1)根據纏繞車間各個設備的使用功能和相關的行業標準，分析纏繞機的各個設備類型、設備屬性和設備之間的關系；

(2)根據OPC UA相關規范定義和基本的建模準則，建立底層設備的類型模型；

(3)繪制纏繞機各個設備的信息模型實例化圖；

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

圖6 纏繞機opcua-modeler信息模型

(5)將系統的模型完整地實例化，保存并導出為XML文檔。

3 監控平臺的開發

3.1 基于OPC UA SDK的服務器開發和實現

OPC UA通信交互方式采用C/S服務架構，服務器向下獲取底層加工系統的信息數據，向上用于響應客戶端服務請求并提供相應的功能和控制方法；客戶端通過向服務器發送命令請求來完成用戶所需的服務請求[17]。

UA服務器基于開源項目open62541進行開發。open62541是基于C(C99)的開源免費的OPC UA項目，被廣大學習者學習和使用。文中基于此方法開發符合規范的UA服務器，以下是UA服務器開發的步驟：

(1)在GitHub網站上搜索下載open62541源碼壓縮包后進行環境配置和編譯；

(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XML文檔轉換成C源代碼；

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

(4)將實際纏繞機的各類加工數據和工藝數據等和各個信息模型節點進行映射，導出并保存到文檔中；

(5)使用客戶端連接服務器后，客戶端通過服務器查詢各個節點變量的數據變化，從而實現對生產加工過程的數據監視。

3.2 監控平臺實例分析與驗證

為驗證開發的纏繞機UA服務器的可行性，配置好服務器IP地址、初始化等信息，啟動UA服務器和客戶端，客戶端根據服務器的IP地址連接服務器。

客戶端可以查看服務器的地址空間的節點信息，圖7所示UI界面左側可查看纏繞機的模型架構，主要由伺服驅動系統、I/O狀態控制、壓力傳感器和熱電偶等物理設備組成。同時將需要監視的加工變量數據如小車位移、運動卡的連接狀態、膠槽熱電偶溫度等移至圖7右上側進行查看。程序界面如圖7右下側所示，可監測系統主軸角度、小車位移、伸臂位移、絲嘴翻轉角度等關鍵數據對象以及查看加工芯模的直徑、長度、兩端極孔直徑、兩端封頭的長短軸比等加工工藝參數。

圖7 客戶端瀏覽查看界面

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

圖8 程序管理頁面

4 結論

文中基于OPC UA技術，以纖維纏繞機及其輔助設備為研究對象，主要對纏繞機的伺服驅動系統和各類傳感器和電機進行信息模型的建立。以開源項目open62541為基礎，開發出符合UA規范標準和數控機床標準的服務器，通過使用OPC UA客戶端連接服務器來獲取機床的各類加工數據。

實驗證明了建立的信息模型、開發的服務器和客戶端具有可行性，同時可根據實際生產需求進一步對系統的信息模型進行擴展來獲取更多的加工數據。