何 軍　卓惠華

摘要：OPC UA 協(xié)議作為工業(yè)通訊協(xié)議，憑借其具備的平臺獨立性、網(wǎng)絡(luò)兼容性和語言互通性，支持實時數(shù)據(jù)的采集與設(shè)備間通信的整合。本文詳述OPC UA 的核心特點，并對該協(xié)議在減少汽車制造領(lǐng)域設(shè)備的停機時間、提高生產(chǎn)效率以及降低成本方面進行探討。基于OPC UA 協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用系統(tǒng)可以實時跟蹤設(shè)備狀況，對設(shè)備進行維護和管理，進一步降低設(shè)備停線率，提高生產(chǎn)效率，為現(xiàn)代汽車制造業(yè)帶來了創(chuàng)新的解決方案。

關(guān)鍵詞：汽車制造；OPC UA ；數(shù)據(jù)采集；效率；設(shè)備維護

中圖分類號： TP391 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

全球制造業(yè)尤其是汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展和競爭激烈，公司需要削減成本、增強生產(chǎn)效能和減少設(shè)備停工時間[1]。數(shù)據(jù)采集技術(shù)有助于提高設(shè)備運行效率以及控制成本[2]。OPC UA 協(xié)議，作為工業(yè)自動化領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的組成部分，構(gòu)建安全且可信賴的數(shù)據(jù)交互機制。此協(xié)議支持各種硬件與軟件間的數(shù)據(jù)互換。借助此協(xié)議，公司可對生產(chǎn)線實施精確控制與即時監(jiān)督，有效減少設(shè)備故障頻次與停機時長，進而提升生產(chǎn)力和經(jīng)濟效益。

本文描述了OPC UA 的數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用系統(tǒng)細(xì)致規(guī)劃和執(zhí)行過程。文章特別指出此系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，如何有效減少生產(chǎn)設(shè)備的停機時間，提高生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)通過KEPServerEX集成多種PLC 設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快捷接入與即時處理。

1 OPC UA 協(xié)議概述

1.1 OPC UA 協(xié)議簡介

OPC UA 是一種全球性的工業(yè)通信協(xié)議，在自動化系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)交互與監(jiān)控。該協(xié)議為工業(yè)應(yīng)用提供一種高效、安全且可擴展的通信方式[3]。

1.2 OPC UA 架構(gòu)

OPC UA 架構(gòu)主要基于以下幾個核心方面。

（1）Server and Client 模式： OPC Client 定義了Client 與Server 間的通訊方式。當(dāng)用戶端啟動對數(shù)據(jù)及服務(wù)的存取的請求時，服務(wù)器會對數(shù)據(jù)及資源進行管理，并解決安全問題[4]。

（2）會話層：會話層負(fù)責(zé)用戶和服務(wù)器間的聯(lián)系，保證通訊的連貫性和安全。

（3）服務(wù)集合：OPC 用戶終端提供讀、寫、瀏覽等一系列的服務(wù)[5]。

（4）信息化模塊：OPC UA 系統(tǒng)以信息模塊為中心，能夠根據(jù)需要定制不同的數(shù)據(jù)類型。

2 數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用系統(tǒng)概述與技術(shù)選型

2.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)適用于汽車制造中的設(shè)備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，需滿足以下基本要求。

（1）實時性：可以對 PLC 數(shù)據(jù)進行實時的采集和處理。

（2）可靠性：要求整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，保證資料的完整、準(zhǔn)確。盡量避免因系統(tǒng)失效而造成的資料遺失或出錯。

（3）安全：保證數(shù)據(jù)在傳送時的安全性，不會有任何的泄漏。

（4）可擴充性：該系統(tǒng)具有很好的可擴充性，可以很容易地整合新的數(shù)據(jù)源。

2.2 技術(shù)選型

（1）KEPServerEX ：選擇KEPServerEX 作為OPC 服務(wù)器，是因為它支持廣泛的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)，包括OPC UA，能夠與各種PLC 和控制系統(tǒng)通訊[6]。

（2）Python ：Python 擁有強大的數(shù)據(jù)處理庫和簡潔的語法，便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理邏輯。

（3）MySQL ：選擇MySQL 作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是因為它其性能高、可靠性好、應(yīng)用場景廣泛。

（4）帆軟軟件：作為數(shù)據(jù)可視化平臺，帆軟軟件提供強大的報表設(shè)計工具和豐富的可視化組件，數(shù)據(jù)展示更加直觀和實用。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 PLC 程序編寫與配置

在可編程邏輯控制器（PLC）上編寫采集程序，實時監(jiān)控某臺機床的參數(shù)。這些實時計算的參數(shù)存儲在PLC 內(nèi)部的特定數(shù)據(jù)地址中。編寫程序時需確保能夠高效且穩(wěn)定地讀取和更新參數(shù)，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)采集和分析工作。

3.1.2 OPC UA 通道配置

在進行數(shù)據(jù)采集之前，需要在KEPServerEX 軟件中配置與PLC 的連接。根據(jù)PLC 的品牌選擇合適的通道，并在該通道下添加一個指向需要采集數(shù)據(jù)的PLC 的設(shè)備。在設(shè)備配置中，需要輸入PLC 的IP 地址，并根據(jù)PLC 的型號和通訊協(xié)議設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

完成與PLC 的通訊設(shè)置后，需要在設(shè)備上創(chuàng)建數(shù)據(jù)標(biāo)簽來指示需要采集的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)標(biāo)簽可以根據(jù)需要進行自定義命名，并輸入存儲在PLC 內(nèi)部的特定數(shù)據(jù)地址，以獲取相應(yīng)的數(shù)值。

接下來，在KEPServerEX 中新建OPC UA 通道，并配置適當(dāng)?shù)陌踩呗院驼J(rèn)證方法，以確保數(shù)據(jù)的安全傳輸。然后，在OPC UA 通道中導(dǎo)入在設(shè)備上創(chuàng)建的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，將PLC 中的變量地址映射到OPC UA 節(jié)點（圖1）。

3.1.3 使用Python 進行數(shù)據(jù)采集

通過利用Python 中的OPC UA 庫，可以創(chuàng)建一個連接到OPC UA 服務(wù)器的客戶端。這個客戶端需要配置一些基本信息，如服務(wù)器的IP 地址和端口號。一旦Python 程序成功地連接到服務(wù)器的URL，它就可以訪問到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)節(jié)點。這些數(shù)據(jù)節(jié)點相當(dāng)于PLC 中變量地址在OPC UA 中的對應(yīng)節(jié)點，對于監(jiān)控和分析工作至關(guān)重要。通過這種方式，Python 程序可以實時地獲取所需的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括從原始數(shù)據(jù)進行提取、轉(zhuǎn)化和整理，以確保其在進一步分析和儲存時的可利用性。這個環(huán)節(jié)對于數(shù)據(jù)的有效性和后續(xù)處理流程的效率具有關(guān)鍵性的影響。根據(jù)實際情況，每一個數(shù)據(jù)需要附加上時間標(biāo)簽、機床工位號標(biāo)識以及數(shù)據(jù)類型的信息，接著將這些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)整合成一個結(jié)構(gòu)化的列表。

3.3 數(shù)據(jù)存儲解決方案

MySQL 數(shù)據(jù)庫非常適合執(zhí)行大量數(shù)據(jù)的插入、查詢和事務(wù)處理。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置和優(yōu)化，它可以應(yīng)對頻繁的數(shù)據(jù)請求。此外，MySQL 還支持水平擴展，這意味著可以通過增加服務(wù)器數(shù)量來分散負(fù)載，從而增強處理能力。為高效地存儲和檢索采集過程中得到的數(shù)據(jù)，需要設(shè)計結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表。根據(jù)實際情況，該表應(yīng)該包含主鍵（ID）、時間（date_time）、工位號（station_name）、數(shù)據(jù)種類（category）和數(shù)值（data）等字段，表結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

為了加快數(shù)據(jù)檢索速度，特別為時間字段設(shè)計B+ 樹索引。這種索引結(jié)構(gòu)特別適合處理時間序列數(shù)據(jù)的查詢，可以顯著提高范圍查詢的效率。數(shù)據(jù)處理完成后，會存儲到預(yù)先設(shè)計好的數(shù)據(jù)庫表中。

使用Python 的MySQL 驅(qū)動程序，建立與MySQL 數(shù)據(jù)庫的連接，編寫SQL 插入語句，將處理好的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫表格中。在插入數(shù)據(jù)過程中，實行異常處理機制，以處理可能出現(xiàn)的問題，如連接斷開或數(shù)據(jù)格式錯誤。

3.4 數(shù)據(jù)可視化

在數(shù)據(jù)收集和存儲任務(wù)完成后，將這些信息以易于理解的形式展示變得至關(guān)重要。使用帆軟軟件，一個功能強大的數(shù)據(jù)可視化工具，可以利用其出色的報表生成和圖形處理功能來實時展示和分析數(shù)據(jù)。通過帆軟的數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)，能夠通過JDBC 類接口與MySQL 數(shù)據(jù)庫無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時檢索和展示。數(shù)據(jù)可視化界面如圖3 所示。

3.4.1 配置數(shù)據(jù)庫連接

在帆軟軟件平臺上，我們建立一個新的數(shù)據(jù)源連接。首先，我們選擇JDBC（Java Database Connectivity）作為連接類型。接著，我們配置網(wǎng)絡(luò)連接屬性，包括輸入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的地址、選擇適當(dāng)?shù)亩丝谔?、指定?shù)據(jù)庫名稱、輸入登錄用戶名和密碼。

完成這些設(shè)置后，我們需要進行連接測試，以確保網(wǎng)絡(luò)連接是正常的，并驗證帆軟軟件能夠成功與數(shù)據(jù)庫交互。

3.4.2 編寫SQL 查詢

利用帆軟軟件的查詢編輯器，用戶可以編寫SQL 查詢語句，以提取需要展示的數(shù)據(jù)。為了符合特定的展示需求，需定制相應(yīng)的SQL 查詢。例如，若需查詢某一時間段內(nèi)各個機床工作站的電流和電壓數(shù)據(jù)，需要制定一個專門的SELECT 查詢語句。

3.4.3 設(shè)計圖表和報表

使用帆軟軟件的圖表制作工具，我們可以將數(shù)據(jù)有效地轉(zhuǎn)換為圖形化表示。圖表類型是根據(jù)數(shù)據(jù)特征和展示目的來決定的，例如，我們可能會用到折線圖、柱狀圖或餅圖。通過細(xì)致調(diào)整圖表的顏色、標(biāo)記、圖例以及其他視覺元素，我們能顯著增強報告的視覺呈現(xiàn)效果。

3.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

3.5.1 確定預(yù)警閾值

在本系統(tǒng)中，設(shè)定閾值依靠對歷史數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析及相關(guān)領(lǐng)域知識。閾值設(shè)定的具體步驟如下。

（1）收集歷史數(shù)據(jù)：我們專注于兩種情況下的數(shù)據(jù)，即設(shè)備正常運行時與發(fā)生故障時。這些數(shù)據(jù)包括所有監(jiān)控設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，如電壓和電流。

（2）分析歷史數(shù)據(jù)：使用收集到的數(shù)據(jù)進行深入分析，確定設(shè)備正常操作的數(shù)據(jù)范圍和故障發(fā)生時的數(shù)據(jù)界限。計算數(shù)據(jù)的統(tǒng)計指標(biāo)，如均值、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，幫助我們精確識別數(shù)據(jù)的正常波動區(qū)間。同時，應(yīng)用散點圖、箱形圖等可視化工具直觀展示數(shù)據(jù)分布，幫助識別異常數(shù)據(jù)和趨勢。

（3）設(shè)定閾值：基于對歷史數(shù)據(jù)的細(xì)致研究和累積的實踐經(jīng)驗，我們設(shè)定了預(yù)警閾值。

3.5.2 實時預(yù)警與維護計劃優(yōu)化

在該系統(tǒng)中，實時監(jiān)控關(guān)鍵性能參數(shù)，并將測得的數(shù)據(jù)與設(shè)定的預(yù)警閾值進行比較，從而快速偵測可能的異常情況。系統(tǒng)配置自動警報功能，一旦檢測到超出閾值的參數(shù)，就會自動向維修團隊發(fā)送電子郵件或短信，通知他們相關(guān)參數(shù)及其當(dāng)前數(shù)值。這樣，維護團隊可以迅速了解情況并采取必要的措施。相關(guān)的自動預(yù)警通知展示在圖4 中。

通過系統(tǒng)，設(shè)備維護團隊可以靈活調(diào)整和改進他們的維護策略，確保在設(shè)備空閑或生產(chǎn)低谷期進行必要的維護工作，以盡量減少對正常生產(chǎn)活動的影響。系統(tǒng)的實時監(jiān)控至關(guān)重要，它可以實時跟蹤設(shè)備的運行狀況，幫助維護團隊合理安排保養(yǎng)時間。這種做法不僅有助于防止意外故障，還能減少由于設(shè)備突然停機引發(fā)的經(jīng)濟損失，從而有效提高生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

本文所研究的基于OPC UA 協(xié)議構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用系統(tǒng)，整合了數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、可視化及實際應(yīng)用功能，強調(diào)OPCUA 協(xié)議在提升制造效率、減少設(shè)備故障和降低維護成本方面的核心價值。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對異常狀態(tài)進行及時預(yù)警，并支持制定預(yù)防性維護策略。此外，這項研究不僅提升了汽車制造的經(jīng)濟效益，還明確了將云計算和人工智能技術(shù)整合進工業(yè)自動化系統(tǒng)中的途徑，極大地增強了工業(yè)自動化系統(tǒng)的智能化程度。

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作者簡介：

何軍，碩士，工程師，研究方向為汽車智能制造、數(shù)字化運營。

卓惠華，本科，助理工程師，研究方向為汽車制造設(shè)備、智能制造。