基于OPC UA的數字化物流車間互聯研究與應用

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”信息化和工業化深度融合發展規劃》提出，到2025年，信息化和工業化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現融合發展。數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，其目的在于管理數字化、可視化，實時性和可預測性，以提高生產的組織和系統柔性。

數字化制造車間IT系統對現場數據采集的程度還停留在單點狀態、流程控制的層面，離數字化需求的“隨心所欲”有非常大的距離。難點在于面對工藝不同、設備種類多、布局分散、通訊協議不一致、部門/工段信息需求不同等諸多現狀，互聯及數據采集是亟須解決的關鍵問題。工業互聯和數據采集，具有以下幾個特點[1]：

1.通信協議種類及私有協議多

工業領域通信協議包括Profibus、Profinet、Modbus、OPC、OPC UA等，以及廠商提供的私有協議，導致了工業系統復雜性和封閉性。

2.實時性

設備狀態監測、多AGV協同，需要在數據采集、分析、執行之間的快速閉環。

3.數據量大

傳感器的采樣率越高，單位時間數據量越大。大量的數據采集、數據讀取和存儲，將大幅度提高系統的技術復雜性。

4.數據序列

采集的數據應帶有時間戳以確定數據產生的時序，滿足準確定位、關聯分析的準確性。

本文主要通過一個實際案例展開，說明我們對相關問題的研究過程和采用的方案。該項目需要實現WCS和ERP、MES、物流裝備的互聯互通和作業協同，設備數據融合，設備實時監控與評估，接入數字化物流車間管控系統，實現數據感知與匯聚，融合與分析，數據共享。

二、研究內容

2021～2022年，武漢卷煙廠建設一套1140kg/h干冰膨脹煙絲生產線及配套的煙包緩存備料和膨脹煙絲箱式輸送物流系統（簡稱“YSCLS”）、異味處理系統、除塵系統、視頻監控等系統，新建系統作為武漢卷煙廠數字化制造車間的一個區塊，應具備生產工藝過程的數字化、可視化、管控集約化，并接入煙廠數字化管控系統。煙廠現有的大部分物流裝備、制造產線、物流系統支持采用WEB服務、Profinet、Ethernet/IP通訊方式。

YSCLS包含WCS、煙包輸送設備、煙絲箱輸送設備、煙絲裝箱設備、煙絲箱拆疊設備、提升機。YSCLS需要與新建的煙絲WMS和數字化管控系統、煙廠現有MES進行交互和數據共享。實現數字化車間的關鍵點是解決系統及設備互聯，數據語義統一、通暢的數據采集。本文主要研究的內容：

。構建基于以OPC UA（Unified Architecture，統一架構）為核心的數據通信架構。

。構建設備信息模型。

。WCS應用。

。工業運行大數據存儲。

1.數據通信架構

YSCLS數據通信架構[2]，如圖1。數據通信架構需要達到目的如下[3]：

圖1 數據通信架構

（1）WCS能夠通過WEB服務與MES、WMS進行數據通信。

（2）WCS能夠通過OPC DA/UA與各個設備PLC進行數據通信。

（3）獨立式OPC UA Server軟件能夠通過OPC DA/UA與各個設備PLC進行數據通信，并將采集的數據上傳到數據庫。

（4）WMS、MES通過OPC UA直接與各個設備PLC進行數據通信。

（5）工業數據存儲數據庫支持大數據的存儲和共享。

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內置有OPC UA Server，提升機PLC不支持OPC UA，采用Ethernet/IP通訊。

WCS內置有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的數據并匯集到工業數據庫中。

2.設備信息模型

根據武漢卷煙廠數字化制造車間需求，通過建立數字孿生平臺，能夠實現物理車間和數字車間的“狀態感知－實時采集－精準執行”閉環。YSCLS根據煙廠數字孿生平臺的數據需求，對設備進行構建了統一的設備信息模型[4]。設備信息模型包括設備靜態信息、設備狀態信息、設備故障信息、物料信息、上位系統交互信息、設備監控信息。

WCS采用訂閱機制監視OPC數據塊的數據變化，可以靈活控制訂閱的數據節點和監視范圍。訂閱模式只有在發生變化的情況下，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的數據量，具備極大的靈活性。

（1）設備靜態信息：設備資產編號、設備組、系統編號、名稱、型號、供應商等。

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

（3）設備故障信息：定義設備的所有故障的信息。

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

（5）上位系統交互信息：數據請求標志、數據寫入成功標志、物料信息、控制信息。

（6）設備監控信息：設備或設備元器件的溫度、電流、震動信息。

3.WCS 應用

在OPC UA根據設備信息模型創建數據結構進行映射。以鏈式輸送機為例，輸送機以區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]。

狀態可視化：為減少WCS與OPC UA Server數據交互的數據量，降低數據接口的復雜性。PLC將設備的急停狀態、物料占位狀態、設備故障狀態、設備可用狀態、設備運行狀態、運行模式分別映射到一個布爾類型的節點，采用節點訂閱實現狀態監控。

心跳檢測：WCS定時讀取一個狀態節點，用于監視WMS與OPC UA Server的連接狀態。WCS定時向一個節點交替寫TRUE/FALSE值，PLC檢測到值超時沒有變化，判定PLC與WCS斷聯。

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

物料跟蹤：在WCS下發任務給PLC成功后，物料將會被運輸到下一個站點，PLC將任務信息會映射到一個結構體類型的節點，WCS采用節點訂閱實現物料跟蹤，從而顯示每個物料的任務信息。

結合上述內容可以開發出WCS應用，如圖2，主要包含設備可視化（占位、故障），以及任務執行、設備操作、任務進度、日志查詢、數據查詢導出等功能。

圖2 WCS應用

4.工業運行數據存儲

系統實現工藝數據、操作數據、設備運行狀態數據的全面采集和存儲，支持武漢卷煙廠數字化制造車間數字化需求，實現全生產過程的信息化、可追溯，全面掌握產品的生產經過，識別和定位產品；實現設備的故障診斷和故障預測；實現工藝、設備的優化運行。

現場采集的大量數據的存儲，使用什么樣的存儲方式對后面的數據分析和計算有重要影響。物流車間傳感器多，采集頻率都高，數據寫入及并發量大，數據庫應具有高速寫入的能力。數據能夠保存5年以上，并且能響應實時的查詢請求和歷史數據統計分析請求。

在本項目中，系統采用實時數據庫并實現時序數據的能力，具備高效讀寫、快速檢索、超強數據壓縮的特點。

三、研究總結

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，實現原始數據和預處理的信息從制造層級到生產計劃或ERP層級的傳輸。本文研究了基于OPC UA相關技術實現制造車間系統、設備的互聯互通，構建了設備信息模型及設備在PLC中的映射和數據采集方式和機制；指導了WCS與OPC UA Server通訊的關鍵內容設計方法，可有效提高響應速度，大幅降低交互頻次，提高系統穩定性。針對工業運行數據的采集和大數據存儲，本文也提出了相應方案。通過煙包緩存備料和膨脹煙絲箱式輸送物流系統，使武漢卷煙廠生產操作人員的工作效率得到有效提高。