基于OPC UA的數(shù)字化物流車間互聯(lián)研究與應(yīng)用

文 / 劉宗 戴樺椋 尤長虹 黎偉雄 張友松 陶智麟 魏斌 高斌

一、研究背景

《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，信息化和工業(yè)化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現(xiàn)融合發(fā)展。數(shù)字化制造車間是集自動化、信息化、集約化一體的綜合性體系和系統(tǒng)，其目的在于管理數(shù)字化、可視化，實時性和可預(yù)測性，以提高生產(chǎn)的組織和系統(tǒng)柔性。

數(shù)字化制造車間IT系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的程度還停留在單點狀態(tài)、流程控制的層面，離數(shù)字化需求的“隨心所欲”有非常大的距離。難點在于面對工藝不同、設(shè)備種類多、布局分散、通訊協(xié)議不一致、部門/工段信息需求不同等諸多現(xiàn)狀，互聯(lián)及數(shù)據(jù)采集是亟須解決的關(guān)鍵問題。工業(yè)互聯(lián)和數(shù)據(jù)采集，具有以下幾個特點[1]：

1.通信協(xié)議種類及私有協(xié)議多

工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議包括Profibus、Profinet、Modbus、OPC、OPC UA等，以及廠商提供的私有協(xié)議，導(dǎo)致了工業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性和封閉性。

2.實時性

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、多AGV協(xié)同，需要在數(shù)據(jù)采集、分析、執(zhí)行之間的快速閉環(huán)。

3.數(shù)據(jù)量大

傳感器的采樣率越高，單位時間數(shù)據(jù)量越大。大量的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取和存儲，將大幅度提高系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜性。

4.數(shù)據(jù)序列

采集的數(shù)據(jù)應(yīng)帶有時間戳以確定數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時序，滿足準確定位、關(guān)聯(lián)分析的準確性。

本文主要通過一個實際案例展開，說明我們對相關(guān)問題的研究過程和采用的方案。該項目需要實現(xiàn)WCS和ERP、MES、物流裝備的互聯(lián)互通和作業(yè)協(xié)同，設(shè)備數(shù)據(jù)融合，設(shè)備實時監(jiān)控與評估，接入數(shù)字化物流車間管控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)感知與匯聚，融合與分析，數(shù)據(jù)共享。

二、研究內(nèi)容

2021～2022年，武漢卷煙廠建設(shè)一套1140kg/h干冰膨脹煙絲生產(chǎn)線及配套的煙包緩存?zhèn)淞虾团蛎洘熃z箱式輸送物流系統(tǒng)（簡稱“YSCLS”）、異味處理系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，新建系統(tǒng)作為武漢卷煙廠數(shù)字化制造車間的一個區(qū)塊，應(yīng)具備生產(chǎn)工藝過程的數(shù)字化、可視化、管控集約化，并接入煙廠數(shù)字化管控系統(tǒng)。煙廠現(xiàn)有的大部分物流裝備、制造產(chǎn)線、物流系統(tǒng)支持采用WEB服務(wù)、Profinet、Ethernet/IP通訊方式。

YSCLS包含WCS、煙包輸送設(shè)備、煙絲箱輸送設(shè)備、煙絲裝箱設(shè)備、煙絲箱拆疊設(shè)備、提升機。YSCLS需要與新建的煙絲WMS和數(shù)字化管控系統(tǒng)、煙廠現(xiàn)有MES進行交互和數(shù)據(jù)共享。實現(xiàn)數(shù)字化車間的關(guān)鍵點是解決系統(tǒng)及設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)語義統(tǒng)一、通暢的數(shù)據(jù)采集。本文主要研究的內(nèi)容：

。構(gòu)建基于以O(shè)PC UA（Unified Architecture，統(tǒng)一架構(gòu)）為核心的數(shù)據(jù)通信架構(gòu)。

。構(gòu)建設(shè)備信息模型。

。WCS應(yīng)用。

。工業(yè)運行大數(shù)據(jù)存儲。

1.數(shù)據(jù)通信架構(gòu)

YSCLS數(shù)據(jù)通信架構(gòu)[2]，如圖1。數(shù)據(jù)通信架構(gòu)需要達到目的如下[3]：

圖1 數(shù)據(jù)通信架構(gòu)

（1）WCS能夠通過WEB服務(wù)與MES、WMS進行數(shù)據(jù)通信。

（2）WCS能夠通過OPC DA/UA與各個設(shè)備PLC進行數(shù)據(jù)通信。

（3）獨立式OPC UA Server軟件能夠通過OPC DA/UA與各個設(shè)備PLC進行數(shù)據(jù)通信，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫。

（4）WMS、MES通過OPC UA直接與各個設(shè)備PLC進行數(shù)據(jù)通信。

（5）工業(yè)數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫支持大數(shù)據(jù)的存儲和共享。

鏈式輸送機PLC、鏈式輸送機PLC、裝箱機PLC采用的是西門子1500系列，1500系列PLC內(nèi)置有OPC UA Server，提升機PLC不支持OPC UA，采用Ethernet/IP通訊。

WCS內(nèi)置有OPC UA Client客戶端與OPC UA Server，同時也支持采用OPC DA、Ethernet/IP與PLC通訊。

獨立式OPC UA Server是支持采用OPC DA/UA的專用軟件，負責即時采集各個PLC的數(shù)據(jù)并匯集到工業(yè)數(shù)據(jù)庫中。

2.設(shè)備信息模型

根據(jù)武漢卷煙廠數(shù)字化制造車間需求，通過建立數(shù)字孿生平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)物理車間和數(shù)字車間的“狀態(tài)感知－實時采集－精準執(zhí)行”閉環(huán)。YSCLS根據(jù)煙廠數(shù)字孿生平臺的數(shù)據(jù)需求，對設(shè)備進行構(gòu)建了統(tǒng)一的設(shè)備信息模型[4]。設(shè)備信息模型包括設(shè)備靜態(tài)信息、設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備故障信息、物料信息、上位系統(tǒng)交互信息、設(shè)備監(jiān)控信息。

WCS采用訂閱機制監(jiān)視OPC數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)變化，可以靈活控制訂閱的數(shù)據(jù)節(jié)點和監(jiān)視范圍。訂閱模式只有在發(fā)生變化的情況下，OPC UA Server才會通知客戶端，與永久讀取信息（輪詢）相比，訂閱機制極大減少了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，具備極大的靈活性。

（1）設(shè)備靜態(tài)信息：設(shè)備資產(chǎn)編號、設(shè)備組、系統(tǒng)編號、名稱、型號、供應(yīng)商等。

（2）設(shè)備狀態(tài)信息：物料占位狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、設(shè)備可用狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)、運行模式。

（3）設(shè)備故障信息：定義設(shè)備的所有故障的信息。

（4）物料信息：設(shè)備承載的物料輸送單元信息，包括輸送單元任務(wù)號、重量、尺寸。

（5）上位系統(tǒng)交互信息：數(shù)據(jù)請求標志、數(shù)據(jù)寫入成功標志、物料信息、控制信息。

（6）設(shè)備監(jiān)控信息：設(shè)備或設(shè)備元器件的溫度、電流、震動信息。

3.WCS 應(yīng)用

在OPC UA根據(jù)設(shè)備信息模型創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行映射。以鏈式輸送機為例，輸送機以區(qū)域中的電機為單位劃分為多個組，每個組包括多個電機，每個電機包括多個貨位。例如，組編號為FG01_AP301內(nèi)包含輸送機301、302、303、304、305，301輸送機包括3011、3012、3013、3014四個貨位[5]。

狀態(tài)可視化：為減少WCS與OPC UA Server數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)量，降低數(shù)據(jù)接口的復(fù)雜性。PLC將設(shè)備的急停狀態(tài)、物料占位狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、設(shè)備可用狀態(tài)、設(shè)備運行狀態(tài)、運行模式分別映射到一個布爾類型的節(jié)點，采用節(jié)點訂閱實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控。

心跳檢測：WCS定時讀取一個狀態(tài)節(jié)點，用于監(jiān)視WMS與OPC UA Server的連接狀態(tài)。WCS定時向一個節(jié)點交替寫TRUE/FALSE值，PLC檢測到值超時沒有變化，判定PLC與WCS斷聯(lián)。

站點控制：不同設(shè)備之間的交互位置PLC會將其設(shè)置為站點，每個站點當PLC檢測到實物時，會向WCS請求下發(fā)任務(wù)。PLC將每個站點分別映射到一個布爾類型的節(jié)點，WCS采用節(jié)點訂閱的方式獲取任務(wù)下發(fā)請求的指令，并通過OPC UA客戶端提供的方法下發(fā)任務(wù)。

物料跟蹤：在WCS下發(fā)任務(wù)給PLC成功后，物料將會被運輸?shù)较乱粋€站點，PLC將任務(wù)信息會映射到一個結(jié)構(gòu)體類型的節(jié)點，WCS采用節(jié)點訂閱實現(xiàn)物料跟蹤，從而顯示每個物料的任務(wù)信息。

結(jié)合上述內(nèi)容可以開發(fā)出WCS應(yīng)用，如圖2，主要包含設(shè)備可視化（占位、故障），以及任務(wù)執(zhí)行、設(shè)備操作、任務(wù)進度、日志查詢、數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出等功能。

圖2 WCS應(yīng)用

4.工業(yè)運行數(shù)據(jù)存儲

系統(tǒng)實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的全面采集和存儲，支持武漢卷煙廠數(shù)字化制造車間數(shù)字化需求，實現(xiàn)全生產(chǎn)過程的信息化、可追溯，全面掌握產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)過，識別和定位產(chǎn)品；實現(xiàn)設(shè)備的故障診斷和故障預(yù)測；實現(xiàn)工藝、設(shè)備的優(yōu)化運行。

現(xiàn)場采集的大量數(shù)據(jù)的存儲，使用什么樣的存儲方式對后面的數(shù)據(jù)分析和計算有重要影響。物流車間傳感器多，采集頻率都高，數(shù)據(jù)寫入及并發(fā)量大，數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有高速寫入的能力。數(shù)據(jù)能夠保存5年以上，并且能響應(yīng)實時的查詢請求和歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析請求。

在本項目中，系統(tǒng)采用實時數(shù)據(jù)庫并實現(xiàn)時序數(shù)據(jù)的能力，具備高效讀寫、快速檢索、超強數(shù)據(jù)壓縮的特點。

三、研究總結(jié)

OPC UA是下一代的OPC標準，通過提供一個完整、安全和可靠的跨平臺的架構(gòu)，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理的信息從制造層級到生產(chǎn)計劃或ERP層級的傳輸。本文研究了基于OPC UA相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)制造車間系統(tǒng)、設(shè)備的互聯(lián)互通，構(gòu)建了設(shè)備信息模型及設(shè)備在PLC中的映射和數(shù)據(jù)采集方式和機制；指導(dǎo)了WCS與OPC UA Server通訊的關(guān)鍵內(nèi)容設(shè)計方法，可有效提高響應(yīng)速度，大幅降低交互頻次，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對工業(yè)運行數(shù)據(jù)的采集和大數(shù)據(jù)存儲，本文也提出了相應(yīng)方案。通過煙包緩存?zhèn)淞虾团蛎洘熃z箱式輸送物流系統(tǒng)，使武漢卷煙廠生產(chǎn)操作人員的工作效率得到有效提高。