基于OPC 架構的民爆生產管理系統

趙智聰， 朱 憶， 李勝前， 趙一鳴

（中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司 智能制造事業部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

黨的十八大提出中國工業要走一條信息化和工業化深度融合、同步發展的新型工業化道路[1]。 為加速我國制造業轉型升級、 提質增效， 國務院發布實施 《中國制造2025》，將智能制造業作為主攻方向，加速培育我國新的增長動力，搶占新一輪產業競爭制高點[2]。為貫徹落實《中國制造2025》，深入實施智能制造工程，助推制造業轉型升級，工信部陸續出臺了《關于民用爆炸物品行業技術進步的指導意見》、《民爆安全生產少（無）人化專項工程實施方案》、《關于推進工業機器人產業發展的指導意見》和《民用爆炸物品行業發展規劃（2016-2020 年）》，提出積極利用工業機器人技術改造提升傳統產業，采用自動化、信息化技術改造傳統的生產方式和管理模式， 采用自動化裝備代替民用爆炸物品生產危險崗位人工作業， 在危險作業工序實現無人操作，減少人身傷亡事故的發生，從而達到提升民爆生產本質安全水平的目標[3]。

我國民爆行業生產裝備連續化、 自動化水平近年來雖然有明顯提高，但仍處于起步階段，大多數的起爆藥生產廠家還沒有得到改造， 有些還在繼續沿用手工裝藥設備，雷管和索類生產也是手工作業多、人員密集，本質安全水平不高。 與國外連續化、 自動化生產工藝相比差距大，進行安全技術改造和技術升級的任務迫切[4]。

我國民爆行業信息化、 智能化集成應用尚處于起步階段，工廠級信息管理系統ERP 應用的推廣以及企業管理智能信息化系統雖然在其他行業已經的到了應用，但是民爆行業因為其生產裝備特殊性，生產設備、生產原料的危險性，ERP 和企業管理智能信息化的全面應用現階段很難實現。依托于民爆車間現有的生產管控系統，目前在MES 功能的完善和數據采集、信息處理、反饋控制的信息閉環系統的建立上可以進一步改善。

1 異構協議統一轉換

民爆車間生產中，各環節實際情況不同，數據采集模式不同，對于安全管理的要求很高，無法在各環節之間添加統一的數據采集模塊， 只能基于其現有的PLC 和組態軟件進行數據采集和協議轉換， 將異構協議進行統一的轉換傳輸到上位機，則離不開OPC 技術的支撐。

1.1 OPC 技術

OPC（OLE for process control）作為硬件和軟件之間的一個中間件， 為工業計算環境提供了一種使不同的客戶端軟件能夠訪問任意數據源的標準。 OPC 技術的實現包括OPC Server 和OPC Client 兩部分，OPC Server 是一個典型的現場數據源程序，其采集現場設備數據信息，通過標準的OPC 接口傳送給OPC Client 應用[5]。 OPC 技術作為工業4.0 的通訊標準之一， 早已在各大工業領域得到了廣泛的應用，在民爆行業中，OPC 建立了一組符合工業控制要求的接口規范，車間內的組態軟件提供了Modbus等標準協議的驅動，對于第三方協議，通常用OPC Server采集現場設備數據信息，傳送給組態軟件應用，避免組態軟件專門開發第三方協議的驅動， 組態軟件只需提供OPC 驅動即可， 這樣節約了違規處理特別是第三方協議硬件數據存取的時間和精力[6]。

1.2 安全性需求

民爆生產線生產過程復雜，對生產安全性要求很高，在原有的設備上加裝數據采集模塊不僅影響其日常生產，更會對其生產線的完整性、連貫性以及最重要的安全性造成一定影響，多余的線纜、電源、網線等更會給日常的生產，原材料的運輸造成一定阻礙。因其生產車間的封閉性要求，也無法對其生產車間進行布線改造，所以不能通過數據采集模塊進行統一的數據采集和傳輸。

民爆生產線的主要生產設備基本都搭載著主流的PLC，如西門子、歐姆龍、三菱、施耐德等，未搭載PLC 的生產環節基本都有數據錄入其生產車間現場指揮平臺。運輸數據可通過運輸系統接口獲取。

基于以上特性，結合民爆生產線實際情況，在其現場指揮平臺部署采集服務器，通過生產線PLC 的以太網、串口等接口采集現場數據，運用OPC 技術進行統一的協議轉換，供上位機使用。這種方式符合民爆生產線的實際情況，滿足了其對安全性的需求。

1.3 技術實現

民爆生產線采用工業以太網作為現場總線， 實現設備（包括熔藥、混藥、注藥、凝固護理等設備）的互聯互通，構建開放的體系結構，便于設備擴展。對于不是以太網接口標準協議的設備， 需要采用接口轉換設備實現接口的轉換和協議的轉換， 將現場設備的各類協議統一轉換為OPC UA 的方式，對外輸出，進而存儲存入數據存儲系統。針對不具備通信接口的設備， 需增加安全、 可靠地傳感器，將傳感器接入數據采集器完成數據采集，數據采集器再接入工業以太網。

圖1 是異構協議統一轉換技術路線， 現場控制器部分由各類的PLC 組成，用于控制現場IO；采集服務器起到一個中轉的作用； 數據庫服務器用于保存采集到的設備數據，并為其他計算機提供訪問接口。

圖1 異構協議統一轉換技術路線

在硬件層， 采集服務器通過各種硬件接口與控制器相連，對于某些的設備，需增加專用的通訊板卡；在軟件層，采集服務器內部架設了OPC server 和數據采集程序，OPC server 通過調用驅動程序將各種協議上的數據通過OPC 接口轉發出去， 數據采集程序通過OPC UA 協議對OPC Server 進行訪問，并對數據進行解析和挖掘，并轉存至數據庫服務器。

2 數字可視化數據管理

為打通信息化系統與車間底層設備的數據通道，針對起爆藥生產線開發一套數據采集系統，實時采集部分設備的運行參數、工藝參數等數據，并傳輸至數據中心存儲，提供接口供其他系統訪問使用。 采用可視化大屏技術，使數據以數字、圖標等形式直觀地展現，方便統一管理。

2.1 數據采集

圖2 是數字化大屏數據采集的網絡架構圖。本系統采集對象主要成品生產線設備狀態信息和相關生產管理系統中的數據，其中生產線設備通過訪問西門子PLC 主控制器進行組網及數據采集， 實時數據通過OPC Server 發布至以太網提供其他信息系統使用， 應用服務器直接訪問Access 數據庫進行數據采集，輸入錄入終端通過RJ45進行組網，業務數據由現場指揮中心和人工錄入。

圖2 數據采集網絡架構圖

2.2 數據存儲與管理

用關系型數據庫Oracle 對生產采集的數據進行存儲管理，按數據類型對生產相關數據進行分類存儲，形成不同數據庫，如生產計劃數據庫、質量數據庫、生產線運行數據庫等，支持12 個月以上的存儲時間。

數據的類型包含質量數據、 設備數據、 生產管理數據、銷售數據、運輸數據等。 系統通過接收從sap、生產線控制系統采集的數據包，進行解析、處理后，存儲到現場數據庫中，這類現場數據通過融合、抽取、處理、裝載等存入業務數據庫。 數字可視化大屏系統根據需要從中抽取數據，進行數據查詢、對比分析、歷史數據追溯、可視化顯示等公共操作。 此外，系統還可預留數據接口，為上層信息化系統提供基礎數據，見圖3。

圖3 數據分類管理

2.3 數據分發及接口

數據分發主要負責數據庫與信息化系統之間的數據交互， 保證信息化系統能夠快速完整的接收到現場設備的實時數據，同時負責數據預處理的工作。數據通過數據庫進行存儲外，還可通過訂閱發布模式，將實時數據，歷史數據通過標準接口直接分發給生產信息管理、 可視化裝配等系統。

數據采集系統接口示意圖見圖4。

圖4 數據采集系統接口

表1 接口說明

3 系統設計與實現

3.1 系統架構

基于OPC UA 架構的起爆藥車間數據采集系統建立于民爆起爆藥生產線已有的MES 系統之上，由組態軟件、OPC UA、分布式數據庫、應用層組成，系統框架圖見圖5。

圖5 系統框架圖

3.2 運行邏輯

車間的數據采集基于民爆生產車間起爆藥生產線已有的硬件系統，OPC UA 通過現場操作員站的組態軟件采集起爆藥生產的數據流，并存儲到不同的數據庫中，不同的生產車間對應不同的數據庫， 形成一個分布式的數據庫系統。 由C# 語言搭建OPC UA 框架，實現數據庫的管理與發布，數據庫的管理分為設備管理和信號管理，不同的生產車間對應不同的設備， 車間生產線采集的數據則以信號發布，并定義不同的信號類型，主要采用MQTT協議、SignalR 協議發布于可視化監控系統和Web 端，并特別增加框架的可拓展性，以滿足工廠的其他需求。

3.3 系統實現

該系統的實現基于一個使用C# 語言開發的框架，該框架包含了實現OPC UA 客戶端與服務端開發的各類庫。框架主要由信號發布和數據庫管理兩部分組成，數據庫管理提供了三種數據庫連接方式：MySQL、Oracle 和SQLserver。 通過OPC UA 協議從生產線組態軟件上獲取數據流， 并在數據庫管理界面即主控程序對數據流進行處理與分析。

信號發布提供了三種發布方式：MQTT 協議、SignalR協議和可拓展協議。 MQTT 協議適用于起爆藥生產線車間的實際情況， 是該系統的主要數據發布方式，SignalR協議用于發布到Web 端， 為以后的智能化數據分析，構建分布式數據庫系統搭建環境。 信號配置見圖6。

圖6 信號配置

4 數據采集測試

數據采集測試基于某民爆起爆藥生產車間， 在完成OPC 與PLC 連接建立后，通過現場監控平臺的力控組態軟件進行配置，這樣的好處是減少系統的數據冗余，基于已有的條件，減少接口，便于管控和調試。 車間數據采集的主要信號如圖7 所示。 設備分為3 個部分， 分別為AGV、干燥間和化合間。AGV 即無人自動搬運車系統在民爆起爆藥生產車間中可以很大程度上減小轉運工的勞動強度，實現庫存自動點檢、根據調貨請求自動執行物料出入庫操作，其工作狀態有五個：前進、后退、上升、下降、旋轉。化合間是生產起爆藥的重要環節，并且具有易燃易爆的危險性，其主要數據采集項為：加熱水管溫度、化合器溫度以及化合器狀態。 干燥間負責干燥起爆藥使之易于存儲，其主要數據采集項為：水泵溫度、熱循環水溫度、干燥時間和真空度。

圖7 數據庫

采集之后的數據存儲到數據庫中，通過C# 語言搭建的框架進行配置并發布，設備和信號配置界面見圖8。

圖8 車間數據采集信號

在配置界面對數據進行整理之后， 通過MQTT 協議發布到某民爆工廠的可視化大屏上見圖9。

圖9 可視化大屏

5 結束語

經過民爆車間現場的實際測試， 部署了該生產管理系統之后，應急響應效率提升了30%以上，生產各環節之間的生產信息展示時延不超過1s， 大大提高了生產與管理之間的交互速率。

本系統雖然基本做到了打通生產與管理之間的信息壁壘，但是展示頁面只做到了數字化展示，并且時延性較高，無法做到實時監控。更進一步的可以進行三維可視化建模，構建虛擬生產線，并通過有效手段降低時延，對數據進行建模分析， 并對各環節的生產壽命及故障進行預測，建成數字孿生生產線。