OPC UA信息模型在工业机器人监测系统中的应用研究

胡飞,邹修敏,高朝祥,任小鸿,郝红梅

(1.四川化工职业技术学院机械工程学院，四川泸州 646300；2.机械结构优化及材料应用泸州市重点实验室，四川泸州 646300；3.四川轻化工大学机械工程学院，四川宜宾 644000)

0 前言

“中国制造 2025”、“十四五规划和2035年远景目标”等战略提出，推动了机械制造加工企业的信息化、智能化转型升级，促进了工业软件的发展[1-3]。工业机器人作为机械制造加工领域不可或缺的设备，加快工业机器人技术的信息化发展对智能化车间建设具有十分重要的意义[4-5]。

随着机械制造加工车间智能化程度日益增强，车间装备更加多元化，设备与设备、系统与系统间的交互更加频繁，连接更加紧密[6-7]。工业机器人需与数控机床、AGV小车等多样化设备协同作业，彼此生产协调和信息交互成为制造过程的关键一环。作为辅助生产的关键设备，工业机器人实现数据集成共享和设备互联互通，以及对状态进行监测显得尤为重要[8-9]。徐建明等[10]设计了一种基于云平台的SCARA机器人监控系统，通过采用OPC UA协议、前后端分离等技术实现本地客户端与SCARA机器人的监控与交互。廖能解等[11]采用PLC+HMI的控制架构，以HMI为上位机实现上下料桁架机器人运行状态的可视化监控。宋庭新、李轲[12]提出了一种基于OPC Unified Architecture的车间物理系统通信架构，通过将OPC UA通信协议、工业机器人ROS系统与PLC控制系统进行整合，实现了车间设备的数据采集和通信。HU 等[13]构建了基于B/S架构的机器人数据采集系统，通过移动智能设备获取制造车间数据，实现车间设备、移动采集设备和服务器之间的交互。已有研究主要集中在对机器人的数据通信和监控层面，为机器人智能制造应用提供了借鉴。然而，只有对多源异构数据进行统一语义、信息进行统一传输，使底层数据规范化、通信标准化，才是数据互联互操作、信息集成和数据融合处理问题的有效解决途径。

本文作者主要针对机械制造加工车间存在的多元异构设备接口协议不一、多源异构数据语义格式不一致的问题，以OPC UA信息建模为核心，以柔性加工单元典型上下料机器人为研究对象，创新性地提出一种集OPC UA信息模型和OPC UA数据通信于一体的工业机器人监测系统；利用面向对象编程的思想，针对性地设计构建机器人共有和私有信息模型，模块化构建OPC UA服务器与客户端，实现信息模型和数据交互；最后选择刹车盘柔性加工单元对机器人OPC UA信息模型进行应用，综合C++、UA Modeler、Open62541等语言和工具开发上下料机器人监测系统。通过较完整的信息模型描述过程数据和统一的信息交互，为监测系统提供数据语义与格式一致和数据访问与操作一致的标准，有效增强了系统信息集成性能和机器人与单元系统间的互联互通和互操作性能。

1 基于OPC UA信息模型的工业机器人监测系统架构

以OPC UA两大组件为基础，以机器人OPC UA信息模型为中心，提出基于OPC UA信息模型的工业机器人监测系统实现架构，含物理、数据处理和应用三层结构，分为信息建模和通信两部分，如图1所示。将机器人信息模型和采用以太网方式、C++采集程序获取的数据源加载封装到服务器，模块化构建开发OPC UA服务器过程连接、数据访问等功能，服务器地址空间绑定实时数据源，格式化转换数据源后将信息暴露给UA客户端，客户端对信息模型浏览、读取和订阅，进一步开发人机交互与监测系统，实现从源头到终端的工业机器人数据规范化访问和数据统一化传输。

图1 系统架构Fig.1 The system architecture

2 工业机器人信息建模基础

2.1 上下料机器人

作为机械制造加工车间最具代表性的辅助加工设备，工业机器人可实现对圆盘类、长轴类、不规则形状、金属板类等工件的自动上料/下料、工件翻转、工件转序等工作[14-15]。本文作者以典型6关节型上下料机器人为研究对象，其组成部分及各运动关节定义如图2所示。

图2 上下料机器人Fig.2 Loading and unloading robot

2.2 OPC UA信息建模流程

OPC UA作为基于COM规范的替代而被引入，OPC UA涵盖了独立于平台的系统接口的所有要求，有支持复杂的数据结构、统一的数据获取方式、多平台支持、增强的安全机制等优点，并且新标准可从嵌入式系统扩展到SCADA和DCS，直至MES和ERP[16-18]。

在OPC UA规范中，将用于代表系统、系统组件、现实世界的事物称为对象，将对客户端可用的对象集合及其相关信息称为地址空间[19]。地址空间是OPC UA服务器用来表示具体事物对象的一个标准方式,它的模型元素被称为节点，不同类别的节点用属性描述。实际在对设备对象进行建模和映射时，底层设备的各实例数据分别对应映射为OPC UA的对象、变量和方法，用引用建立组件与组件的联系，这些变量、方法、引用等抽象信息则是地址空间中的一个个节点描述[19-22]。所以，信息建模的过程就是在定义地址空间模型。

根据OPC UA建模规范，提出上下料机器人信息建模流程，主要分4个阶段，如图3所示。首先，根据应用需求，对机器人系统进行模块化分解，提取机器人属性，基于实际功能要求对机器人整个系统进行分解，划分子模型，建立类型模型，实例化信息模型，最后转换信息模型为XML模型描述文件，以作为OPC UA服务器地址空间实现实例化信息的数据来源。

图3 建模流程Fig.3 Modeling flow

3 上下料机器人的OPC UA信息建模与实现

3.1 信息模型定义与实例化

上下料机器人在机械制造加工车间的运动控制、设备故障和抓取精度退化问题十分突出[23]。如何实时获取机器人位置运行数据、设备报警/故障原因等成为监测重点。

根据监测需求和设备主要功能要求，对上下料机器人作业过程中涉及到的关键数据进行建模。通过对上下料机器人系统组织结构与生产过程进行抽象分析，建立上下料机器人数据类型到OPC UA对象类型节点的映射。对象类型分共有和私有类型，设备共有类型模型定义了机器人与机械制造加工车间其他主要加工设备(如加工中心、数控车床)共有的属性，如图4所示。例如，过程运行类型属于过程属性集，过程属性集定义在生产过程中采集的、随生产过程变化而变化的数据，是动态属性数据的集合。如过程运行类型的设备状态数据变量、启动和急停控制方法等，其定义如表1所示。

图4 设备共有类型模型Fig.4 Common model types of devices

表1 过程运行类型Tab.1 Process operation types

由于机械制造加工车间多元异构设备的控制系统和机械组织结构存在差异，设备功能和应用场景不同，但可根据上下料机器人的结构特点和应用需求将机器人设备私有类型总结为5类，将这些类型映射为OPC UA中的对象类型节点，如表2所示。

表2 私有组件类型Tab.2 Private component types

图5为上下料机器人的OPC UA信息模型结构。机器人类型(RobotType)有4个特有属性作为静态字符串变量表示机器人的静态特性，5个子对象类型描述机器人组件属性。控制器类型(ControllerType)用于处理实时数据的变量，如控制状态、作业模式；关节类型(JointType)用于处理6个关节对象的节点，提供机器人J1-J6关节的速度、角度、角速度、旋转速度；伺服类型(ServoType)用于提供机器人各轴伺服驱动相关的信息，如伺服状态、速度、负载；机械卡爪类型(ClawType)用于描述卡爪工作状态是锁紧还是放松；行走轴类型(WalkingAxisType)为附加轴类型，该对象类型包括有效行程、坐标、行走速度等信息，行走轴伺服信息继承于伺服系统类型。

图5 OPC UA信息模型结构Fig.5 OPC UA information model structure

以机器人关节类型为例，上下料机器人六关节机械手的操作有6个独立驱动的关节结构，机械手臂是利用X、Y、Z轴的旋转和移动到达规定位置，主要有位置和速度相关数据。上下料机器人关节类型具体定义如表3所示。

表3 关节类型定义Tab.3 Definitions of joint types

通过共有和私有类型模型结合，可较完整地覆盖上下料机器人加工作业产生的关键动静态数据。

这些节点是从泛型信息模型中类型定义实例化的变量，如Joint_Speed表示机器人关节的运动速度，是一个双精度浮点只读变量，最小间隔采样为100 ms，父节点数据关联对象指示JointType。关节对象的子节点属性如表4所示。

表4 关节对象节点和属性Tab.4 Nodes and attributes of joint objects

定义模型仅为抽象信息模型框架，按照类型定义所属类别和语义填充模型框架中的各类信息元素，把抽象类型转化为具体设备存在的对象实例信息，形成具有实际功能意义的上下料机器人OPC UA信息模型对象[19,22]。以上下料机器人关节为例，关节对象实例化信息模型如图6所示。其中，读数变量的实例化初始值设置成0.0，当实现实时数据源与OPC UA服务器对应节点相互绑定之后，读数变量值将会刷新成实际值。

图6 关节对象实例化Fig.6 Sample of joint objects

以图形方式直观展示机器人信息模型，转换可视化信息模型为OPC UA服务器可理解和解析的形式。利用建模生成器UA Modeler创建生成机器人OPC UA信息模型和模型描述文件，图7为可视化的机器人部分OPC UA信息模型。

图7 可视化模型Fig.7 Visual model:(a)sample 1;(b)sample 2

利用UA Modeler建模工具生成能被OPC UA服务器解析识别的XML描述文件，通过XML源模型文件实现机器人OPC UA信息模型的映射。上下料机器人信息模型的XML描述文件如图8所示。

图8 XML文件Fig.8 XML file

3.2 OPC UA服务器/客户端开发

以机器人XML文件为输入，综合采用Python、Open62541、Cmake等工具解析XML文档为OPC UA服务器可识别代码。模型编译结果如图9所示。

图9 模型编译Fig.9 Model compiling

开发OPC UA服务器，模块化构建OPC UA服务器数据访问、过程连接、地址空间管理等功能模块，实例化信息模型，Modbus协议、以太网方式获取机器人数据源，数据映射关联到地址空间对应节点实现数据访问模块。过程连接负责向上和向下传输实时数据和数据绑定。过程信息将被过程连接作为实时数据收集，将其指定给相应变量节点，客户端调用UA服务集处理过程数据。UA客户端通过UA服务器提供的服务集和节点管理显示机器人信息模型并读取或修改相应数据。OPC UA服务器开发结构如图10所示。

图10 OPC UA服务器开发结构Fig.10 OPC UA server structure

综合利用Open62541 v1.1开源库开发一个基于QT的OPC UA客户端。UA客户端右侧建立与UA服务器通信连接，包括配置网络地址和端口号、加载安全证书等，测试情况如图11所示。结果表明:OPC UA客户端能与OPV UA服务器建立正常通信，上下料机器人OPC UA信息模型能实现浏览、读取和订阅，上下料机器人信息模型可以很好地进行访问，相应节点信息可以成功实现监控管理，证明了在OPC UA框架下构建的上下料机器人实例化信息模型的正确性。

图11 OPC UA客户端测试Fig.11 OPC UA client test

4 应用

选择典型刹车盘柔性加工单元对机器人OPC UA信息模型进行综合协同建模，开发基于OPC UA信息模型的上下料机器人监测系统进行应用试验。刹车盘柔性加工单元现场应用环境如图12所示。

图12 应用环境Fig.12 Application environment：(a)model;(b)real field

上下料机器人的各类生产加工关键数据在OPC UA地址空间统一转换成语义格式一致的数据并存储于MySQL数据库。数据库向UA服务器映射，向上和向下传递数据。监测系统读取数据，可视化显示相关内容实现数据应用。上下料机器人的监测界面和机器人示教器操作界面分别如图13和图14所示。监测系统获取结果与真实机器人示教器中读取的数据进行对比，结果表明基于OPC UA信息模型的监测系统能实现上下料机器人运行状态监测。

图13 监控界面Fig.13 Monitor interface

图14 机器人示教器界面Fig.14 Interface of robot demonstrator

5 结论

与常见监控系统不同的是，该上下料机器人监测系统后台的数据应用均来源于OPC UA服务器地址空间，OPC UA服务器各功能模块与OPC UA客户端综合实现了上下料机器人数据源格式和语义标准化和数据的统一通信，同时数据操作也得到统一。应用结果表明：设计的上下料机器人OPC UA信息模型能较好覆盖监测系统的数据应用需求，验证了信息模型的完整性、实用性和所提框架的可行性。

针对性设计了上下料机器人OPC UA信息模型，将其应用于监测系统中，有效解决了底层数据源格式语义和数据通信不一致的问题，进一步促进了系统信息集成和设备间的互联互通和互操作。这为机械制造加工车间信息化、智能化建设提供了参考。