基于OPC,UA的数字化物流车间互联研究与应用

文 / 刘宗 戴桦椋 尤长虹 黎伟雄 张友松 陶智麟 魏斌 高斌

《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》提出，到2025年，信息化和工业化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展。数字化制造车间是集自动化、信息化、集约化一体的综合性体系和系统，其目的在于管理数字化、可视化，实时性和可预测性，以提高生产的组织和系统柔性。

数字化制造车间IT系统对现场数据采集的程度还停留在单点状态、流程控制的层面，离数字化需求的“随心所欲”有非常大的距离。难点在于面对工艺不同、设备种类多、布局分散、通讯协议不一致、部门/工段信息需求不同等诸多现状，互联及数据采集是亟须解决的关键问题。工业互联和数据采集，具有以下几个特点[1]：

1.通信协议种类及私有协议多

工业领域通信协议包括Profibus、Profinet、Modbus、OPC、OPC UA等，以及厂商提供的私有协议，导致了工业系统复杂性和封闭性。

2.实时性

设备状态监测、多AGV协同，需要在数据采集、分析、执行之间的快速闭环。

3.数据量大

传感器的采样率越高，单位时间数据量越大。大量的数据采集、数据读取和存储，将大幅度提高系统的技术复杂性。

4.数据序列

采集的数据应带有时间戳以确定数据产生的时序，满足准确定位、关联分析的准确性。

本文主要通过一个实际案例展开，说明我们对相关问题的研究过程和采用的方案。该项目需要实现WCS和ERP、MES、物流装备的互联互通和作业协同，设备数据融合，设备实时监控与评估，接入数字化物流车间管控系统，实现数据感知与汇聚，融合与分析，数据共享。

2021～2022年，武汉卷烟厂建设一套1140kg/h干冰膨胀烟丝生产线及配套的烟包缓存备料和膨胀烟丝箱式输送物流系统（简称“YSCLS”）、异味处理系统、除尘系统、视频监控等系统，新建系统作为武汉卷烟厂数字化制造车间的一个区块，应具备生产工艺过程的数字化、可视化、管控集约化，并接入烟厂数字化管控系统。烟厂现有的大部分物流装备、制造产线、物流系统支持采用WEB服务、Profinet、Ethernet/IP通讯方式。

YSCLS包含WCS、烟包输送设备、烟丝箱输送设备、烟丝装箱设备、烟丝箱拆叠设备、提升机。YSCLS需要与新建的烟丝WMS和数字化管控系统、烟厂现有MES进行交互和数据共享。实现数字化车间的关键点是解决系统及设备互联，数据语义统一、通畅的数据采集。本文主要研究的内容：

。构建基于以OPC UA（Unified Architecture，统一架构）为核心的数据通信架构。

。构建设备信息模型。

。WCS应用。

。工业运行大数据存储。

1.数据通信架构

YSCLS数据通信架构[2]，如图1。数据通信架构需要达到目的如下[3]：

图1 数据通信架构

（1）WCS能够通过WEB服务与MES、WMS进行数据通信。

（2）WCS能够通过OPC DA/UA与各个设备PLC进行数据通信。

（3）独立式OPC UA Server软件能够通过OPC DA/UA与各个设备PLC进行数据通信，并将采集的数据上传到数据库。

（4）WMS、MES通过OPC UA直接与各个设备PLC进行数据通信。

（5）工业数据存储数据库支持大数据的存储和共享。

链式输送机PLC、链式输送机PLC、装箱机PLC采用的是西门子1500系列，1500系列PLC内置有OPC UA Server，提升机PLC不支持OPC UA，采用Ethernet/IP通讯。

WCS内置有OPC UA Client客户端与OPC UA Server，同时也支持采用OPC DA、Ethernet/IP与PLC通讯。

独立式OPC UA Server是支持采用OPC DA/UA的专用软件，负责即时采集各个PLC的数据并汇集到工业数据库中。

2.设备信息模型

根据武汉卷烟厂数字化制造车间需求，通过建立数字孪生平台，能够实现物理车间和数字车间的“状态感知－实时采集－精准执行”闭环。YSCLS根据烟厂数字孪生平台的数据需求，对设备进行构建了统一的设备信息模型[4]。设备信息模型包括设备静态信息、设备状态信息、设备故障信息、物料信息、上位系统交互信息、设备监控信息。

WCS采用订阅机制监视OPC数据块的数据变化，可以灵活控制订阅的数据节点和监视范围。订阅模式只有在发生变化的情况下，OPC UA Server才会通知客户端，与永久读取信息（轮询）相比，订阅机制极大减少了传输的数据量，具备极大的灵活性。

（1）设备静态信息：设备资产编号、设备组、系统编号、名称、型号、供应商等。

（2）设备状态信息：物料占位状态、设备故障状态、设备可用状态、设备运行状态、运行模式。

（3）设备故障信息：定义设备的所有故障的信息。

（4）物料信息：设备承载的物料输送单元信息，包括输送单元任务号、重量、尺寸。

（5）上位系统交互信息：数据请求标志、数据写入成功标志、物料信息、控制信息。

（6）设备监控信息：设备或设备元器件的温度、电流、震动信息。

3.WCS 应用

在OPC UA根据设备信息模型创建数据结构进行映射。以链式输送机为例，输送机以区域中的电机为单位划分为多个组，每个组包括多个电机，每个电机包括多个货位。例如，组编号为FG01_AP301内包含输送机301、302、303、304、305，301输送机包括3011、3012、3013、3014四个货位[5]。

状态可视化：为减少WCS与OPC UA Server数据交互的数据量，降低数据接口的复杂性。PLC将设备的急停状态、物料占位状态、设备故障状态、设备可用状态、设备运行状态、运行模式分别映射到一个布尔类型的节点，采用节点订阅实现状态监控。

心跳检测：WCS定时读取一个状态节点，用于监视WMS与OPC UA Server的连接状态。WCS定时向一个节点交替写TRUE/FALSE值，PLC检测到值超时没有变化，判定PLC与WCS断联。

站点控制：不同设备之间的交互位置PLC会将其设置为站点，每个站点当PLC检测到实物时，会向WCS请求下发任务。PLC将每个站点分别映射到一个布尔类型的节点，WCS采用节点订阅的方式获取任务下发请求的指令，并通过OPC UA客户端提供的方法下发任务。

物料跟踪：在WCS下发任务给PLC成功后，物料将会被运输到下一个站点，PLC将任务信息会映射到一个结构体类型的节点，WCS采用节点订阅实现物料跟踪，从而显示每个物料的任务信息。

结合上述内容可以开发出WCS应用，如图2，主要包含设备可视化（占位、故障），以及任务执行、设备操作、任务进度、日志查询、数据查询导出等功能。

图2 WCS应用

4.工业运行数据存储

系统实现工艺数据、操作数据、设备运行状态数据的全面采集和存储，支持武汉卷烟厂数字化制造车间数字化需求，实现全生产过程的信息化、可追溯，全面掌握产品的生产经过，识别和定位产品；
实现设备的故障诊断和故障预测；
实现工艺、设备的优化运行。

现场采集的大量数据的存储，使用什么样的存储方式对后面的数据分析和计算有重要影响。物流车间传感器多，采集频率都高，数据写入及并发量大，数据库应具有高速写入的能力。数据能够保存5年以上，并且能响应实时的查询请求和历史数据统计分析请求。

在本项目中，系统采用实时数据库并实现时序数据的能力，具备高效读写、快速检索、超强数据压缩的特点。

OPC UA是下一代的OPC标准，通过提供一个完整、安全和可靠的跨平台的架构，实现原始数据和预处理的信息从制造层级到生产计划或ERP层级的传输。本文研究了基于OPC UA相关技术实现制造车间系统、设备的互联互通，构建了设备信息模型及设备在PLC中的映射和数据采集方式和机制；
指导了WCS与OPC UA Server通讯的关键内容设计方法，可有效提高响应速度，大幅降低交互频次，提高系统稳定性。针对工业运行数据的采集和大数据存储，本文也提出了相应方案。通过烟包缓存备料和膨胀烟丝箱式输送物流系统，使武汉卷烟厂生产操作人员的工作效率得到有效提高。

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