摘要：如今制造企业需要不断提高生产作业水平以使用市场需求多样化，智能化生产已经成为趋势，自动化是数字化的基础，智能化离不开数字化，而数据是智能应用的基础，工厂中的基础数据大多来源于现场设备，因此设备与设备之间，设备与系统之间的集成应用显得尤为重要，而现场设备的多样性导致数据格式多样、数据质量要求不同、采集周期多样，给集成带来困难。OPC UA（Open Platform Communications Unified Architecture）是一种开放的通信协议，用于在工业自动化系统中实现数据交换和集成。介绍了基于OPC UA的数据融合技术，基于OPC UA规范，借助于信息建模工具对现场设备进行建模，将设备和设备参数信息映射至OPC UA地址空间中，形成数据模型，建立设备OPC UA服务器，承载设备数据信息，通过OPC UA客户端订阅和访问服务器信息，打通从底层和上层应用系统的双向数据通道，达到数据融合应用的目的。

　　关键词：OPC UA；信息模型；数据融合

　　0引言

　　数据已经成为企业的重要资产，设备、资产、水、电、煤、油、气、热力等能源数据中蕴含着大量的数据信息。而多源异构的能源数据为后续数据处理带来了困难。数据信息的多源异构问题，使得人们难以充分挖掘大数据的隐含信息。数据融合技术作为一种重要的数据处理手段，从原始数据和数据特征等多个层次对数据进行综合处理，获得应用需求的有价值信息，在降低多源异构数据的冗余度和存储资源浪费方面具有重要价值。公安部第一研究所的吕悦研究了基于SpringBoot框架和微服务架构企业级数据集成平台，可以满足不同场景下的数据需求，但是当下沉到车间设备级时，其实时性还达不到要求[1]。安徽明生恒卓科技有限公司的陈超等提出了基于多时空聚类的多源异构时序数据集成方法大大提高了数据筛选准确率，但仅仅是在研究数据本身，忽略了基础数据的来源[2]。北京交通大学的范朝阳基于资产管理壳的思想开发了一套智能工厂边缘侧多源异构数据感知与业务集成系统，资产管理壳的理念很系统[3]，实施起来有困难，且也需要OPC UA技术的支持。

　　本文以某电机制造企业为研究对象，研究其生产方式，通过调研发现，该企业生产方式较为落后，多以人工经验为主，制造设备较为分散，设备接口多样，数据不完整且不集中，集成度较低，基础设备的对外统一接口问题不解决，就算引入相关工业控制软件，没有数据做支撑，无法做出精准控制策略和决策分析。通过分析其设备和传感器的通信协议，提出基于OPC UA的数据融合感知方法，为上层应用提供通畅的数据通道。构建制造企业集群各用能单元信息模型并统一表征异构设备语义信息，并基于统一模型进行多元多层次用能信息融合分析，最终实现用能信息可感知、可解析、可融合。

　　1 OPC UA简介

　　1.1 OPC UA特点

　　OPC UA（Open Platform Communications Unified Ar⁃chitecture）是一种开放的通信协议和架构，用于在工业自动化和物联网（IoT）环境中实现设备间的互联和数据交换[10]。它提供了一种标准化的方式来实现设备之间的通信，无论是何种设备类型、制造商或通信网络。

　　OPC UA具有以下重要特点和优势[4-5]。

　　（1）开放性和跨平台：OPC UA是开放的标准，不受特定供应商或技术的限制，因此可以在不同的硬件和操作系统平台上实现互操作性。

　　（2）安全性：OPC UA提供了强大的安全机制，包括身份验证、加密通信和访问控制，以确保数据的机密性、完整性和可用性。

　　（3）灵活性和可扩展性：OPC UA提供了灵活的数据模型，可以定义自定义的数据类型和结构。它还支持数据传输和多种通信协议，包括TCP/IP、HTTPS和MQTT等。

　　（4）历史数据访问：OPC UA提供了历史数据访问功能，可以获取设备或系统的历史数据记录，并支持查询和分析。

　　（5）事件和报警管理：OPC UA支持实时事件和报警管理，可以监测设备状态的变化，并向客户端发送相关的事件和报警信息。

　　（6）简化集成和扩展：OPC UA通过提供统一的接口和规范，简化了设备集成和系统扩展的过程。它允许开发人员轻松地将新设备或应用程序集成到现有的OPC UA基础架构中。

　　（7）可互操作性：OPC UA的标准化使得不同设备和系统可以无缝地进行通信和数据交换，无论它们是来自同一供应商还是不同供应商；

　　OPC UA被广泛应用于工业自动化、物联网、建筑自动化、能源管理等领域[6-9]，为设备和系统的互联互通提供了可靠的解决方案。在能源管理中，OPC UA可用于能源管理系统中，帮助监测和控制能源设备，例如发电机、输电线路、能源储存设备等。它能够获取能源数据、监测能源消耗、优化能源分配，并提供数据分析和报告。

　　1.2通信模式

　　OPC UA使用客户端/服务器模型，其中客户端应用程序通过网络与OPC UA服务器进行通信。OPC UA服务器对客户端可用的对象集合及其相关信息被称作地址空间[11-12]。地址空间由节点及其相互引用组成，节点可以是实际设备或组件的映射，OPC UA规范中定义了8种节点，分别是对象、对象类型、数据类型、变量、变量类型、对方法、视域和引用[13]。以对象节点展开，抽象化物理实体，将复杂的数据承载至地址空间中，实现数据的交互和融合应用。

　　2基于OPC UA的通用车间集成架构

　　生产车间一般由软硬件组成，如图3所示[14]。

　　将生产车间分为3层。（1）设备层，主要有制造装备、传感器、物流设备、机器人等，有些设备通过PLC进行通信，有些设备自带通信接口，可以跟其他设备或系统进行通信；（2）监视控制层主要有SCADA、人机交互系统或其他监控系统，有时候能源监控系统也在此层或者位于更上一层；（3）车间管理层，对整个车间制造过程进行管理，实时收集生产过程中产生的数据并作出相应的分析和处理。实际生产车间因为所使用的生产设备有旧有新，生产厂家不同，设备接口不一致，数据格式不一致，给整个车间的集成应用带来困扰，对于这一困扰可以用OPC UA技术来解决。对于设备层，分析其使用的通信协议、数据格式与其他数据的关系，基于OPC UA信息模型原理建立设备模型，嵌入OPC UA服务器，承载设备关键信息，通过订阅和发布模式与上层交互[15]；同样，监视控制层也可基于OPC UA融合方法与底层设备和上层应用系统进行数据交互。

　　3基于OPC UA的数据融合应用研究

　　3.1总体思路

　　重点针对制造企业设备种类繁多、多能源形式共存导致信息互联互通难的问题，基于设备物理分布和数据采集特点，构建设备数据拓扑网络，建立设备/单元/生产过程数据模型，如图4所示，是数据的建模过程；面向现场设备不同的设备采集模块，数据采集服务器针对不同的设备及协议进行数据通信协议解析，统一转换成OPC UA的信息模型和传输协议对客户端传输数据，经由分析、处理、显示和报警，客户端可获取关键信息[16]，如图5所示，是数据的传输路径。最终形成标准化、统一化的数据，为上层系统数据应用提供了重要的支撑和保障。

　　3.2工厂数据集成架构

　　企业共设冲剪车间、线圈车间、焊接车间、重金工车间、发电机车间、电动机车间等多个工种车间，涉及冲剪、切割、冲压、焊接、车铣、燃烧、烘干等工序，涉及水、电、天然气等能源；关键设备主要有自动冲压生产线、压力机、冲床涂漆线、焊接机器人、数控金切设备、换热设备、数控冲压焊切设备、加工中心燃机、烘炉等，仪器仪表和加工设备的通信协议主要有Modbus、Profinet、TCP/IP、各个设备厂家的PLC控制协议，用能种类丰富、设备布局分散，数据多源异构、通信协议多样。协议的多样性导致数据的多元性，给上层系统的数据调用带来不便。

　　从现场获取能耗相关数据、节能相关的测量、控制和状态等数据。将来自现场的异构生产、能耗相关数据，按定义的数据模型转换为统一的数据格式，供上层管理系统优化控制使用。工业生产能效数据接口与现场控制和数据采集、上层管理系统优化控制的关系如图6所示。针对多场景多源多层次数据的关联融合的关键在于OPC UA服务器的创建和协议转换。

　　3.3创建OPC UA服务器

　　要实现车间的数据融合应用，首先需要将不同通信协议转换为OPC UA标准协议，用OPC UA作为标准的交互语言。如图7所示，根据OPC UA建模规则对实体设备进行建模。OPC UA协议较为复杂，直接基于OPC UA标准规范开发OPC UA服务器，难度太大，建议基于已有的OPC UA SDK开发包来搭建，OPC UA SDK具有开发OPC UA服务器的API接口，基于已有的API建立地址空间。以下是建模一般步骤[17]。

　　（1）抽取应用场景：首先从应用场景中分析设备类型，设备属性（参数）、设备的方法（事件），设备之间或设备属性之间、设备与方法之间的关系，其实就是捋清地址空间中节点的属性以及节点与节点之间的关系。

　　（2）根定义类型模型[18-19]：根据OPC UA规范中的第3、4、5部分定义类型模型，分别是对象类型（设备），变量类型（属性），数据类型（属性），引用类型（建模规则），定义标准方法（事件），建立统一的类型模型。

　　（3）实例化模型：根据应用场景分别实例化类型模型，建立实例化信息模型。

　　（4）绑定数据源。

　　基于OPC UA建模规则对整个物理实体进行建模后，形成信息模型描述文件（XML文件），信息模型描述文件不仅包括OPC UA配置信息，即节点与节点之间的关系，还包括驱动配置信息即数据的格式转换，采集驱动将采集到的报文经过解析，将数据转存至共享数据库，通过对信息模型描述文件的解析完成设备通信数据至OPC UA地址空间的映射，可对外提供数据访问服务。现市面上已经有现成的信息模型配置文件可购买，简化配置过程，可以直接生成信息模型描述文件。

　　3.4 OPC UA服务器创建示例

　　由于从头开发OPC UA服务器，难度较大，可以根据已有的信息模型编辑软件进行建模，以数控机床为例，介绍基于InfoModel快速开发工具对设备进行快速建模。

　　3.4.1建模流程

　　（1）抽取应用场景

　　首先对设备进行结构分解，建立设备信息模型，信息模型组件模型可以是一个实际的制造装备以数控机床为例，可将数控机床做如下拆解。如图8所示。

　　（2）定义类型模型

　　定义组件类型、设备类型等[20]。如图9~10所示。当组件类型只包含子组件描述和组件列表时，通过子组件的引用可以形成层次关系。

　　（3）实例化模型

　　根据OPC UA信息模型定义，可以将制造装备实体与设备模型进行映射，如图11所示。

　　（4）绑定数据

　　借助于建模工具，可以轻松完成设备的建模，实现数据绑定。

　　3.4.2操作步骤

　　以下是借助于建模工具以数控机床为例，创建数控机床的具体步骤如下。

　　（1）梳理设备类型与数控机床信息模型的对应关系，分配好设备的属性集。如图12所示。

　　（2）分别添加信息模型文件头信息，如图13所示、添加静态属性集信息，如图14所示，静态属性一般是设备的固有属性，比如设备出厂信息、额定功率等等；如图15所示，是过程属性集添加过程，过程属性一般指设备的动态属性，比如启停、控制等；如图16是配置属性的添加过程，配置属性一般指网络参数配置，采样间隔配置等等。如果设备还有组件，进一步添加组件信息，如图17所示。

　　（3）值节点赋值，如图18所示，通过值节点赋值，完成数据格式的转换，将设备数据转换为OPC UA数据。

　　（4）最后添加关联驱动，完成数据模型的映射。

　　（5）配置好OPC UA服务器网络参数，可在OPC UA客户端显示OPC UA服务器的层次及数据。如图19所示。

　　4结束语

　　在如今的生产制造中，数据集成应用越来重要，如何实现车间异构多元数据的融合应用，本文介绍了基于OPC UA的数据融合方法，重点介绍了基于OPC UA的建模过程，并借助于InfoModel快速开发工具以数控机床为例展示设备OPC UA服务的创建过程。通过对制造资源建立统一的OPC UA信息模型实现分散的、异构的制造系统语义集成。向上可提供标准的OPC UA接口，向下可实现多种协议数据转换，为数据的融合应用提供重要支撑。尽管提出切实可行的方案，但是，在实际的应用过程中还有很多需要解决的问题，比如对于设备层通信协议的，有简单，有复杂，对于协议本身的研究需要花费很长的时间和很大的精力，且有些设备没有对外开放的接口，需要外挂模块，嵌入OPC UA模块，无形中增加一些资金投入。相信随着技术的进步，和大家对标准化数据的共识，会一步步攻克难点，全面实现智能化制造。

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