CN107807618A - 一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数字化工控系统领域内的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，包括：OPC Server，用以对整个系统进行总控；数据采集单元，用以采集铸造工厂底层数据；数据交换单元，用以实现铸造工厂中各设备单元之间的联锁以及数据通信；数据调度单元，将不同系统中的多个数据进行综合分析运算，并给出最终结果，用于指导现场设备或人员执行；数据采集单元、数据交换单元、数据调度单元均连接在OPC Server上，本发明使的底层工程师从繁琐的反复沟通与协调中解放出来，适用于多种数据源的应用场合。

Description

一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构

技术领域

本发明涉及一种铸造工厂，特别涉及一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构。

背景技术

数字化铸造工厂是以物理工厂铸造为载体，融合铸造技术与数字技术、智能技术、物联网等新一代信息技术，在铸件产品的设计、生产、厂内物流生命周期内的各个环节，实现信息感知、优化决策、执行控制与信息反馈等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。

铸造行业作为传统行业，其数字化、网络化、智能化过程是逐步发展的，整体而言，大部分铸造企业的的制造水平普遍不高，有些企业甚至连自动化和数字化都没有达到。

铸造工厂在数字化规划、建设与改造等具体实践中，底层设备与传感数据的获取是各种数字化、智能化功能的基础。在底层数据互联互通、及时准确的前提下，其上层的过程监控、工艺流程、远程运维、统计分析等功能才能得以实现。

在底层设备与上层软件系统间进行软硬件集成时，OPC现已成为工业界系统互联的缺省方案。OPC采用客户/服务器模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，提高了系统的开放性和可互操作性。

但在具体实施时，OPC所面对的数据复杂性远非上述概念性的描述，大致可分为媒体流设备、非标协议设备、标准协议设备、第三方OPC设备及数据库数据等六类。功能需求方面，除常规的数据采集外，根据工艺要求或操作流程还有数据交换与调度；数据互联方面，除本机不同的OPC间的互访外，还有本机与异机间相同或不同OPC互访；数据及系统安全方面，是否加密及DCOM访问权限设置也需要重点考虑。

上述类似功能与需求，尤其是新功能增加或工艺流程变更情况下，使得业主方底层工程师需要频繁地与不同厂家，就PLC程序联锁问题反复进行沟通与协调，甚至出现返工情况，争吵也在所难免，严重挫伤设备厂家技术人员的积极性，工程进度拖期现象时有发生；另一方面，一个变量数据往往牵涉多家设备，出现问题时各自撇清责任，问题也不易追溯、监视、分析与解决，某些问题需要不同厂家共同参与讨论，组织协调与沟通时困难重重。业主方底层工程师70%左右的时间与精力均被分配到上述事情的处理过程中，工程质量与安全监管常常力不从心，系统稳定性与可靠性也难以保证。

相关专利情况检索如下：

深圳市康必达中创科技有限公司发明专利“连接OPC服务器和OPC应用程序之间接口方法”,申请号为201110201187.8，“公开了一种连接OPC 服务器和OPC应用程序之间接口方法，基于OPC服务器和OPC应用程序之间的数据传输接口，作为数据源的OPC服务器即可以是和OPC应用程序在同一台计算机上运行的本地OPC服务器，也可以是在另外的计算机上运行的远程OPC服务器”。

沈阳东大自动化有限公司发明专利“从数据处理角度构建的风电机组状态监控私有云系统及方法”,申请号为201510908488.2，“一种从数据处理角度构建的风电机组状态监控私有云系统及方法，基于OPC Client或组态软件通过OPC Server对监控参数进行实时采集，并存储到本地小型数据库中，再采用主从热备份的方法存储到云管理平台，并转

储到总数据库中，解决数据采集的实时性和大数据问题，同时还可处理三种接入用户的权限，及时调整各终端用户获取相应风场本地数据的能力”。

武汉科技大学发明专利“一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统”,申请号为201611236215.9，“提供的一种基于OPC UA协议的设备数据采集系统，可以解决工业现场各底层设备、测量仪表、自动控制系统等多层级数据的采集、传输与监测问题，实现复杂底层自动化设备数据的透明化，改善信息集成方式”。

重庆钢铁集团电子有限责任公司实用新型专利“工业实时数据采集系统”,申请号为201620983354.7，“包括OPC服务器和数据采集接口，数据采集接口包含OPC数据采集模块、数据库操作模块、网络传输模块，OPC服务器用于采集现场一级机器传递的实时数据，OPC数据采集模块用于通过OPC协议读取OPC服务器的实时数据；数据库操作模块用于将OPC数据采集模块采集的实时数据保存到数据库里进行缓存备份，网络传输模块用于将数据上传给数据库服务器存储，并监测上传数据时的异常状况，当该实时数据没有成功上传数据库服务器时，网络传输模块待异常状况恢复后重新上传该实时数据到数据库服务器。其从采集接口上实现数据缓存功能，减少上位采集机端和数据库服务器端的压力”。

上述类似专利，或从利用软件程序接口解决OPC服务器与客户端传输问题；或从监控平台集成与展示角度，实现OPC实时数据采集、历史数据库存储与云平台对接；或利用OPCUA的自身特性进行数据的透明化采集与集成；或从数据流角度进行集成，并通过断点续传保证数据的完整性。

但上述类似专利只是从个别侧面强调某一实现方法，尤其是主张自研软件开发的专利没有经过现场的充分验证，业主方底层工程师在面对复杂的数据源与功能需求时，依旧无法从繁琐的沟通协调事务中解放出来。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，使底层工程师从繁琐的反复沟通与协调中解放出来。

本发明的目的是这样实现的：一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，包括：

OPC Server，用以对整个系统进行总控；

数据采集单元，用以采集铸造工厂底层数据；

数据交换单元，用以实现铸造工厂中各设备单元之间的联锁以及数据通信；

数据调度单元，将不同系统中的多个数据进行综合分析运算，并给出最终结果，用于指导现场设备或人员执行；

所述数据采集单元、数据交换单元、数据调度单元均连接在OPC Server上。

作为本发明的进一步限定，所述数据采集单元采集的数据源包括：媒体流设备的图像及视频数据、非标协议设备的数据、标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据。

作为本发明的进一步限定，所述媒体流设备的图像及视频数据经MATLAB处理后，通过OPC Toolbox工具将处理结果反写至OPC Server的变量中，供其他设备或程序调用。

作为本发明的进一步限定，所述非标协议设备的数据在采集时，通信协议通过OPCServer中的用户自行配置，通过配置串口或网口的通信参数及主被动模式，并按照厂家的自定义协议配置读写事务流，进而提取所关注的数据，使其以标准OPC的方式供其他设备或程序调用。

作为本发明的进一步限定，所述标准协议设备的数据采集时，通过OPC Server自带的驱动，直接配置通道、设备、变量进行相关数据的采集。

作为本发明的进一步限定，所述第三方OPC设备的数据在采集时，通过OPC DAClient驱动将第三方OPC设备的数据配置至OPC Server中，实现统一的数据管理。

作为本发明的进一步限定，所述数据库数据与OPC Server进行数据互访时，分为两种情况，第一种情况为OPC Server中的数据按照设定的频率写入数据库中，常用于故障排查、统计分析与可视化展示；第二种情况是将数据库中的数据采集至OPC Server中供其他设备或程序调用。

作为本发明的进一步限定，所述数据交换单元中各设备在联锁以及数据通信时，数据连锁采用OPC Bridging方式，数据通信采用OPC Tunneller方式；

所述OPC Bridging方式为按照常规方式先将设备的变量采集至OPC Server中，再在OPC桥接器软件中进行简单的拖拉，即可实现变量数值的交换与绑定；

所述OPC Tunneller方式为将OPC Tunneller安装在OPC客户端和OPC服务器节点上，然后在客户端PC上，定义将要连接的服务器端IP地址或计算机名称及对应的端口号，即可访问不同域或工作组中的PC。

作为本发明的进一步限定，所述OPC Server上还连接有远程运维平台。

作为本发明的进一步限定，如果远程运维平台建立企业内部各种工控安全与信息安全措施保障到位，则OPC Server可直接通过OPC UA、MQTT、REST等协议与远程运维平台对接；否则，底层的第三方OPC设备的数据及数据库中的数据应通过第三方软件，以服务的方式与远程运维平台对接，在积累足够量的数据后，实现更深层次的数据调度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1. 快速搭建：借助OPC Server基本功能模块及配套使用的OPC桥接器、OPC隧道等软件组合，可在十分钟内搭建该工控系统底层架构，其部署级别可为设备级、单元级及工厂级；

2. 适用于多种数据源：以OPC Server为架构中心，除手工录入的数据类型外，可轻松应对铸造数字化工厂其余所有的数据来源（如非标协议设备数据、标准协议设备数据、第三方OPC Server数据、数据库数据）；

3. 层次清晰：将工控系统底层架构按照功能进行数据采集、数据交换与数据调度等逻辑划分，相应工作可由一个底层工程师独立完成，也可由多个底层工程师配合完成，对底层工程师的技术水平及知识面要求相对较低，各工作相互间的交接简便，便于维护与排故；

4. 功能相对完备：除基本的数据采集、数据交换与数据调度功能外，对于不同通信协议、安全设置、地理位置、不同供应商的多个OPC服务器等具体工作中常见的困难，以及云平台对接等也进行了综合考虑，基本覆盖了铸造数据化工厂进行规划、建设及改造过程中，进行底层工控系统数据集成所面临的所有难题；

5. 降低工作量：底层工程师在新建OPC数据、设备联锁及工艺流程变更时，仅需与不同厂家技术及软件工程师沟通一次，进行相应的配置即可，相比常规的做法，能节省70~80%左右的时间与精力，且后续数据维护与排故简单、事故责任清晰明了。

附图说明

图1为本发明架构示意图。

图2为本发明中OPC Bridging方式示意图。

图3为现有技术中设备连锁方式示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，包括：OPC Server，用以对整个系统进行总控；数据采集单元，用以采集铸造工厂底层数据；数据交换单元，用以实现铸造工厂中各设备单元之间的数据联锁以及数据通信；数据调度单元，将不同系统中的多个数据进行综合分析运算，并给出最终结果，用于指导现场设备或人员执行；所述数据采集单元、数据交换单元、数据调度单元均连接在OPC Server上。

下面对本发明的具体实现方式做进一步说明。

数据采集

数字化铸造工厂工控系统底层集成时，OPC Server直接面对的数据源主要有媒体流设备的图像及视频数据、非标协议设备的数据、标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据等。

（1）媒体流设备的图像及视频数据：经MATLAB处理后，通过OPCToolbox工具将处理结果反写至OPC Server的变量中，供其他设备或程序调用。如检测某一划定区域内是否有人，有人则将OPC Server中所配置的变量置为1，无人置为0，相关设备与检测是否有人的状态进行联锁；

（2）非标协议设备的数据：此类设备的通信协议一般为厂家自定义，因其使用范围相对较窄，设备知名度不高，OPC Server中一般不具备此类设备的驱动。此时可借助OPC Server中的用户可配置驱动，通过配置串口或网口的通信参数及主被动模式，并按照厂家的自定义协议配置读写事务流，进而提取所关注的数据，使其以标准OPC的方式供其他设备或程序调用。如无线测试枪、有线测温枪的测温数据，热分析仪的CE值数据，感应电炉控制系统的运行状态与工况数据；

（3）标准协议设备的数据：此类设备的通信协议使用范围较广，知名度较高，如ModbusRTU、Modbus TCP、Siemens TCP/IP Ethernet、Beckhoff TwinCAT等，在OPC Server具备相应的驱动，可直接配置通道、设备、变量进行相关数据的采集，此类设备如多功能电力仪表、S7-300 PLC、倍福软PLC等；

（4）第三方OPC设备的数据：一些设备配套工控机，对外交互采用OPA方式，为使调度层面的软件便于集中访问与系统集成，可通过OPC DA Client驱动将第三方OPC设备的数据配置至OPC Server中，实现统一的数据管理，此类设备如采用DCS的冷却水循环系统及中央空调系统，采用组态王监控的空压站系统及热处理系统等；

（5）数据库数据：OPC与数据库间实现数据互访分为两种情况。第一种情况为OPC数据按照设定的频率写入数据库中，常用于故障排查、统计分析与可视化展示，前者如浇注工位的真空负压值丢失，造成浇注报告不能自动生成问题，排查时可调取存至数据库中的负压值历史数据，判断到底是偶发性断网、操作工未按照规定操作或是程序BUG导致的原因；后者如铸造工厂的温湿度环境参数等。第二种情况是将数据库中的数据采集至OPC中供其他设备或程序调用，如光谱分析仪检测试块的成份质量参数，也如3D砂型打印机所需的型砂、树脂、固化剂、清洗剂的理化参数等。

数据交换

（1）OPC Bridging

在生产单元或生产线建设及改造的工程实践中，为确保生产设备之间，以及生产设备与物流设备的紧密配合，以满足安全生产及工艺流程的需要，设备间联锁是一个绕不开的技术细节。常见的设备间联锁情况有两种：一对一联锁和一对多联锁。就一对一联锁而言，如浇注前利用无线测试枪测温温度合格，浇注机辊道方允许启动；就一对多联锁而言，如所有多台3D砂型打印机共用一套集中供液站，3D砂型打印机实时读取集中供液站的树脂、固化剂、清洗剂的液位数据，只有当液位数据处于安全区间内时，所有3D砂型打印机才能正常启动。

如图3所示，常规的做法是在软件系统中，一对一设备联锁应用情况下，用高级语言将变量A的当前值赋与变量B；一对多设备联锁应用情况下，用高级语言将变量A的当前值赋与变量B、C、D等，如背景中所述，即使是实现最简单的设备间一对一联锁，底层工程师也需要同时与设备1厂家技术、设备2厂家技术及软件工程师反复沟通协调，特别是工序流程变更后的调试过程中，负面情绪与影响再所难免。

如图2所示，本发明采用OPC Bridging方式，即采用OPC桥接器方式，对于底层工程师而言，不需要程序设计的知识，只需按照常规方式先将设备的变量采集至OPC Server中，再在OPC桥接器软件（如KEPWARE的LinkMaster）中进行简单的拖拉，即可实现变量数值的交换与绑定。如在一对一的桥接方式数据交换中，OPC变量A为无线测温枪的源测温数据，OPC变量B为浇注机辊道启动要使用的测温联锁数据，在OPC桥接器软件，将OPC变量A直接拖拉至OPC变量B，即可实现测温数据的交换与绑定；同理，在一对多的桥接方式数据交换中，OPC变量A可为供液站的树脂、固化剂、清洗剂的液位数据之一，OPC变量B为第一台3D砂型打印机正常启动要使用的液位联锁数据，OPC变量C为第二台3D砂型打印机正常启动要使用的液位联锁数据，其余类推，则将OPC变量A直接拖拉至OPC变量B、OPC变量C、OPC变量D等，即可实现液位数据的交换与绑定。

按照桥接方式，在新工厂建设或工艺流程变更时，底层工程师仅需与不同设备厂家沟通一次，将获取设备间需联锁的变量地址配置至OPC Server中，在OPC桥接器软件进行简单拖拉即可，组织、沟通、协调的工作量大大降低。

（2）OPC隧道

目前国内OPC通信绝大部分使用OPC DA方式，当不同的OPC Server位于不同的PC时，欲实现对位于不同的PC上的OPC数据访问，或OPC Server间的变量交换与绑定，DCOM配置是必须也是最为繁琐、调试时间最不可控的一步，尤其是不同的PC使用不同的操作系统（如WIN2000，WINXP，WIN7，WINSERVER2008）、不同的PC使用不同厂家的OPC Server及不同厂家的OPC Server版本不同时，调试顺利时一小时左右，调试不顺利时长达一两天，甚至因出现调试不通而不得不重装操作系统。

本发明采用OPC Tunneller方式,即采用OPC隧道方式，如Matrikon OPCTunneller，仅需要将OPC隧道安装在OPC客户端和OPC服务器节点上,然后在客户端PC上，定义将要连接的服务器端IP地址或计算机名称及对应的端口号，即可访问不同域或工作组中的PC，同时其穿越防火墙的功能，使得用户在拥有OPC优势的同时，让防火墙继续提供保护作用，从而最大限度地抵御病毒和蠕虫病毒的攻击。另一方面，OPC隧道具备可调试的超时设置，能够与不同带宽的网络达到最佳配合，实现瞬间重新连接到OPC服务器，避免DCOM中无法改变的6分钟超时设置限制。此外OPC隧道具备64、96或128字节的AES数据流加密技术，进一步保证了OPC数据通信的安全。上述功能配置与实现仅需十分钟左右，使通信协议、安全设置、地理位置、不同供应商的多个OPC服务器或OPC客户端上的差异不再是计算机之间共享数据障碍。

数据调度

数字化铸造工厂进行底层的工控系统集成时，有时候需要将不同系统中的多个数据进行综合分析运算，并给出最终计算结果，用于指导现场设备或人员执行，此种情况称之为数据调度。如熔炼浇注单元控制系统（第三方软件）从OPC Server中读取热分析仪中的CE值，从LIMS实验室管理系统的数据库中读取经光谱分析仪铁水试块的理化参数数据（如C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Sn、Mo、Ni等成份的百分比含量），依据全流程虚拟制造系统的数据库中的判定区间与计算公式，给出调料建议（如增碳剂、废钢、硅铁、SiC、锰铁、硫铁的重量），将之通过OPC Server，下发至电炉合金称重系统中，指导现场人员按照显示调料清单进行操作。

此外，如果远程运维平台是建立企业内部各种工控安全与信息安全措施保障到位，则OPC Server可直接通过OPC UA、MQTT、REST等协议与远程运维平台对接；否则，出于安全考虑，底层的OPC及数据库中的数据应通过第三方软件，以服务的方式与远程运维平台对接，在积累足够量的数据后，实现更深层次的数据调度。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，包括：

OPC Server， 用以对整个系统进行总控；

数据采集单元，用以采集铸造工厂底层数据；

数据交换单元，用以实现铸造工厂中各设备单元之间的联锁以及数据通信；

数据调度单元，将不同系统中的多个数据进行综合分析运算，并给出最终结果，用于指导现场设备或人员执行；

所述数据采集单元、数据交换单元、数据调度单元均连接在OPC Server上。

2.根据权利要求1所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述数据采集单元采集的数据源包括：媒体流设备的图像及视频数据、非标协议设备的数据、标准协议设备的数据、第三方OPC设备的数据及数据库数据。

3. 根据权利要求2所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述媒体流设备的图像及视频数据经MATLAB处理后，通过OPC Toolbox工具将处理结果反写至OPC Server的变量中，供其他设备或程序调用。

4. 根据权利要求2所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述非标协议设备的数据在采集时，通信协议通过OPC Server中的用户自行配置，通过配置串口或网口的通信参数及主被动模式，并按照厂家的自定义协议配置读写事务流，进而提取所关注的数据，使其以标准OPC的方式供其他设备或程序调用。

5. 根据权利要求2所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述标准协议设备的数据采集时，通过OPC Server自带的驱动，直接配置通道、设备、变量进行相关数据的采集。

6. 根据权利要求2所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述第三方OPC设备的数据在采集时，通过OPC DA Client驱动将第三方OPC设备的数据配置至OPC Server中，实现统一的数据管理。

7. 根据权利要求2所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述数据库数据与OPC Server进行数据互访时，分为两种情况，第一种情况为OPC Server中的数据按照设定的频率写入数据库中，常用于故障排查、统计分析与可视化展示；第二种情况是将数据库中的数据采集至OPC Server中供其他设备或程序调用。

8. 根据权利要求1所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述数据交换单元中各设备单元在联锁以及数据通信时，设备连锁采用OPC Bridging方式，数据通信采用OPC Tunneller方式；

所述OPC Bridging方式为按照常规方式先将设备的变量采集至OPC Server中，再在OPC桥接器软件中进行简单的拖拉，即可实现变量数值的交换与绑定；

所述OPC Tunneller方式为将OPC Tunneller安装在OPC客户端和OPC服务器节点上，然后在客户端PC上，定义将要连接的服务器端IP地址或计算机名称及对应的端口号，即可访问不同域或工作组中的PC。

9. 根据权利要求1所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，所述OPC Server上还连接有远程运维平台。

10. 根据权利要求9所述的一种数字化铸造工厂工控系统底层集成架构，其特征在于，如果远程运维平台建立企业内部各种工控安全与信息安全措施保障到位，则OPC Server可直接通过OPC UA、MQTT、REST等协议与远程运维平台对接；否则，底层的第三方OPC设备的数据及数据库中的数据应通过第三方软件，以服务的方式与远程运维平台对接，在积累足够量的数据后，实现更深层次的数据调度。