基于OPC 架構(gòu)的民爆生產(chǎn)管理系統(tǒng)

趙智聰， 朱 憶， 李勝前， 趙一鳴

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所有限公司 智能制造事業(yè)部， 四川 綿陽(yáng) 621000）

0 引言

黨的十八大提出中國(guó)工業(yè)要走一條信息化和工業(yè)化深度融合、同步發(fā)展的新型工業(yè)化道路[1]。 為加速我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、 提質(zhì)增效， 國(guó)務(wù)院發(fā)布實(shí)施 《中國(guó)制造2025》，將智能制造業(yè)作為主攻方向，加速培育我國(guó)新的增長(zhǎng)動(dòng)力，搶占新一輪產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)[2]。為貫徹落實(shí)《中國(guó)制造2025》，深入實(shí)施智能制造工程，助推制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，工信部陸續(xù)出臺(tái)了《關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見》、《民爆安全生產(chǎn)少（無(wú)）人化專項(xiàng)工程實(shí)施方案》、《關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》和《民用爆炸物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020 年）》，提出積極利用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和管理模式， 采用自動(dòng)化裝備代替民用爆炸物品生產(chǎn)危險(xiǎn)崗位人工作業(yè)， 在危險(xiǎn)作業(yè)工序?qū)崿F(xiàn)無(wú)人操作，減少人身傷亡事故的發(fā)生，從而達(dá)到提升民爆生產(chǎn)本質(zhì)安全水平的目標(biāo)[3]。

我國(guó)民爆行業(yè)生產(chǎn)裝備連續(xù)化、 自動(dòng)化水平近年來(lái)雖然有明顯提高，但仍處于起步階段，大多數(shù)的起爆藥生產(chǎn)廠家還沒(méi)有得到改造， 有些還在繼續(xù)沿用手工裝藥設(shè)備，雷管和索類生產(chǎn)也是手工作業(yè)多、人員密集，本質(zhì)安全水平不高。 與國(guó)外連續(xù)化、 自動(dòng)化生產(chǎn)工藝相比差距大，進(jìn)行安全技術(shù)改造和技術(shù)升級(jí)的任務(wù)迫切[4]。

我國(guó)民爆行業(yè)信息化、 智能化集成應(yīng)用尚處于起步階段，工廠級(jí)信息管理系統(tǒng)ERP 應(yīng)用的推廣以及企業(yè)管理智能信息化系統(tǒng)雖然在其他行業(yè)已經(jīng)的到了應(yīng)用，但是民爆行業(yè)因?yàn)槠渖a(chǎn)裝備特殊性，生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)原料的危險(xiǎn)性，ERP 和企業(yè)管理智能信息化的全面應(yīng)用現(xiàn)階段很難實(shí)現(xiàn)。依托于民爆車間現(xiàn)有的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，目前在MES 功能的完善和數(shù)據(jù)采集、信息處理、反饋控制的信息閉環(huán)系統(tǒng)的建立上可以進(jìn)一步改善。

1 異構(gòu)協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換

民爆車間生產(chǎn)中，各環(huán)節(jié)實(shí)際情況不同，數(shù)據(jù)采集模式不同，對(duì)于安全管理的要求很高，無(wú)法在各環(huán)節(jié)之間添加統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集模塊， 只能基于其現(xiàn)有的PLC 和組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換， 將異構(gòu)協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，則離不開OPC 技術(shù)的支撐。

1.1 OPC 技術(shù)

OPC（OLE for process control）作為硬件和軟件之間的一個(gè)中間件， 為工業(yè)計(jì)算環(huán)境提供了一種使不同的客戶端軟件能夠訪問(wèn)任意數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)。 OPC 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)包括OPC Server 和OPC Client 兩部分，OPC Server 是一個(gè)典型的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)源程序，其采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC 接口傳送給OPC Client 應(yīng)用[5]。 OPC 技術(shù)作為工業(yè)4.0 的通訊標(biāo)準(zhǔn)之一， 早已在各大工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在民爆行業(yè)中，OPC 建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，車間內(nèi)的組態(tài)軟件提供了Modbus等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的驅(qū)動(dòng)，對(duì)于第三方協(xié)議，通常用OPC Server采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)信息，傳送給組態(tài)軟件應(yīng)用，避免組態(tài)軟件專門開發(fā)第三方協(xié)議的驅(qū)動(dòng)， 組態(tài)軟件只需提供OPC 驅(qū)動(dòng)即可， 這樣節(jié)約了違規(guī)處理特別是第三方協(xié)議硬件數(shù)據(jù)存取的時(shí)間和精力[6]。

1.2 安全性需求

民爆生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)安全性要求很高，在原有的設(shè)備上加裝數(shù)據(jù)采集模塊不僅影響其日常生產(chǎn)，更會(huì)對(duì)其生產(chǎn)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(wǎng)線等更會(huì)給日常的生產(chǎn)，原材料的運(yùn)輸造成一定阻礙。因其生產(chǎn)車間的封閉性要求，也無(wú)法對(duì)其生產(chǎn)車間進(jìn)行布線改造，所以不能通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

民爆生產(chǎn)線的主要生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)環(huán)節(jié)基本都有數(shù)據(jù)錄入其生產(chǎn)車間現(xiàn)場(chǎng)指揮平臺(tái)。運(yùn)輸數(shù)據(jù)可通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)接口獲取。

基于以上特性，結(jié)合民爆生產(chǎn)線實(shí)際情況，在其現(xiàn)場(chǎng)指揮平臺(tái)部署采集服務(wù)器，通過(guò)生產(chǎn)線PLC 的以太網(wǎng)、串口等接口采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用OPC 技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)議轉(zhuǎn)換，供上位機(jī)使用。這種方式符合民爆生產(chǎn)線的實(shí)際情況，滿足了其對(duì)安全性的需求。

1.3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

民爆生產(chǎn)線采用工業(yè)以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線， 實(shí)現(xiàn)設(shè)備（包括熔藥、混藥、注藥、凝固護(hù)理等設(shè)備）的互聯(lián)互通，構(gòu)建開放的體系結(jié)構(gòu)，便于設(shè)備擴(kuò)展。對(duì)于不是以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)備， 需要采用接口轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)接口的轉(zhuǎn)換和協(xié)議的轉(zhuǎn)換， 將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各類協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為OPC UA 的方式，對(duì)外輸出，進(jìn)而存儲(chǔ)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。針對(duì)不具備通信接口的設(shè)備， 需增加安全、 可靠地傳感器，將傳感器接入數(shù)據(jù)采集器完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集器再接入工業(yè)以太網(wǎng)。

圖1 是異構(gòu)協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術(shù)路線， 現(xiàn)場(chǎng)控制器部分由各類的PLC 組成，用于控制現(xiàn)場(chǎng)IO；采集服務(wù)器起到一個(gè)中轉(zhuǎn)的作用； 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于保存采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，并為其他計(jì)算機(jī)提供訪問(wèn)接口。

圖1 異構(gòu)協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換技術(shù)路線

在硬件層， 采集服務(wù)器通過(guò)各種硬件接口與控制器相連，對(duì)于某些的設(shè)備，需增加專用的通訊板卡；在軟件層，采集服務(wù)器內(nèi)部架設(shè)了OPC server 和數(shù)據(jù)采集程序，OPC server 通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒏鞣N協(xié)議上的數(shù)據(jù)通過(guò)OPC 接口轉(zhuǎn)發(fā)出去， 數(shù)據(jù)采集程序通過(guò)OPC UA 協(xié)議對(duì)OPC Server 進(jìn)行訪問(wèn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和挖掘，并轉(zhuǎn)存至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

2 數(shù)字可視化數(shù)據(jù)管理

為打通信息化系統(tǒng)與車間底層設(shè)備的數(shù)據(jù)通道，針對(duì)起爆藥生產(chǎn)線開發(fā)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集部分設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)，并傳輸至數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)，提供接口供其他系統(tǒng)訪問(wèn)使用。 采用可視化大屏技術(shù)，使數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖標(biāo)等形式直觀地展現(xiàn)，方便統(tǒng)一管理。

2.1 數(shù)據(jù)采集

圖2 是數(shù)字化大屏數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。本系統(tǒng)采集對(duì)象主要成品生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)信息和相關(guān)生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，其中生產(chǎn)線設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)西門子PLC 主控制器進(jìn)行組網(wǎng)及數(shù)據(jù)采集， 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)OPC Server 發(fā)布至以太網(wǎng)提供其他信息系統(tǒng)使用， 應(yīng)用服務(wù)器直接訪問(wèn)Access 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，輸入錄入終端通過(guò)RJ45進(jìn)行組網(wǎng)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)指揮中心和人工錄入。

圖2 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理

用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle 對(duì)生產(chǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，按數(shù)據(jù)類型對(duì)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，形成不同數(shù)據(jù)庫(kù)，如生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)、生產(chǎn)線運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)等，支持12 個(gè)月以上的存儲(chǔ)時(shí)間。

數(shù)據(jù)的類型包含質(zhì)量數(shù)據(jù)、 設(shè)備數(shù)據(jù)、 生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)、運(yùn)輸數(shù)據(jù)等。 系統(tǒng)通過(guò)接收從sap、生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行解析、處理后，存儲(chǔ)到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，這類現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)融合、抽取、處理、裝載等存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。 數(shù)字可視化大屏系統(tǒng)根據(jù)需要從中抽取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、對(duì)比分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、可視化顯示等公共操作。 此外，系統(tǒng)還可預(yù)留數(shù)據(jù)接口，為上層信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)分類管理

2.3 數(shù)據(jù)分發(fā)及接口

數(shù)據(jù)分發(fā)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)與信息化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互， 保證信息化系統(tǒng)能夠快速完整的接收到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)外，還可通過(guò)訂閱發(fā)布模式，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口直接分發(fā)給生產(chǎn)信息管理、 可視化裝配等系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口示意圖見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口

表1 接口說(shuō)明

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于OPC UA 架構(gòu)的起爆藥車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)建立于民爆起爆藥生產(chǎn)線已有的MES 系統(tǒng)之上，由組態(tài)軟件、OPC UA、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用層組成，系統(tǒng)框架圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)框架圖

3.2 運(yùn)行邏輯

車間的數(shù)據(jù)采集基于民爆生產(chǎn)車間起爆藥生產(chǎn)線已有的硬件系統(tǒng)，OPC UA 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作員站的組態(tài)軟件采集起爆藥生產(chǎn)的數(shù)據(jù)流，并存儲(chǔ)到不同的數(shù)據(jù)庫(kù)中，不同的生產(chǎn)車間對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)， 形成一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。 由C# 語(yǔ)言搭建OPC UA 框架，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與發(fā)布，數(shù)據(jù)庫(kù)的管理分為設(shè)備管理和信號(hào)管理，不同的生產(chǎn)車間對(duì)應(yīng)不同的設(shè)備， 車間生產(chǎn)線采集的數(shù)據(jù)則以信號(hào)發(fā)布，并定義不同的信號(hào)類型，主要采用MQTT協(xié)議、SignalR 協(xié)議發(fā)布于可視化監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基于一個(gè)使用C# 語(yǔ)言開發(fā)的框架，該框架包含了實(shí)現(xiàn)OPC UA 客戶端與服務(wù)端開發(fā)的各類庫(kù)?？蚣苤饕尚盘?hào)發(fā)布和數(shù)據(jù)庫(kù)管理兩部分組成，數(shù)據(jù)庫(kù)管理提供了三種數(shù)據(jù)庫(kù)連接方式：MySQL、Oracle 和SQLserver。 通過(guò)OPC UA 協(xié)議從生產(chǎn)線組態(tài)軟件上獲取數(shù)據(jù)流， 并在數(shù)據(jù)庫(kù)管理界面即主控程序?qū)?shù)據(jù)流進(jìn)行處理與分析。

信號(hào)發(fā)布提供了三種發(fā)布方式：MQTT 協(xié)議、SignalR協(xié)議和可拓展協(xié)議。 MQTT 協(xié)議適用于起爆藥生產(chǎn)線車間的實(shí)際情況， 是該系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)發(fā)布方式，SignalR協(xié)議用于發(fā)布到Web 端， 為以后的智能化數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)搭建環(huán)境。 信號(hào)配置見圖6。

圖6 信號(hào)配置

4 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

數(shù)據(jù)采集測(cè)試基于某民爆起爆藥生產(chǎn)車間， 在完成OPC 與PLC 連接建立后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)的力控組態(tài)軟件進(jìn)行配置，這樣的好處是減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)冗余，基于已有的條件，減少接口，便于管控和調(diào)試。 車間數(shù)據(jù)采集的主要信號(hào)如圖7 所示。 設(shè)備分為3 個(gè)部分， 分別為AGV、干燥間和化合間。AGV 即無(wú)人自動(dòng)搬運(yùn)車系統(tǒng)在民爆起爆藥生產(chǎn)車間中可以很大程度上減小轉(zhuǎn)運(yùn)工的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)庫(kù)存自動(dòng)點(diǎn)檢、根據(jù)調(diào)貨請(qǐng)求自動(dòng)執(zhí)行物料出入庫(kù)操作，其工作狀態(tài)有五個(gè)：前進(jìn)、后退、上升、下降、旋轉(zhuǎn)?；祥g是生產(chǎn)起爆藥的重要環(huán)節(jié)，并且具有易燃易爆的危險(xiǎn)性，其主要數(shù)據(jù)采集項(xiàng)為：加熱水管溫度、化合器溫度以及化合器狀態(tài)。 干燥間負(fù)責(zé)干燥起爆藥使之易于存儲(chǔ)，其主要數(shù)據(jù)采集項(xiàng)為：水泵溫度、熱循環(huán)水溫度、干燥時(shí)間和真空度。

圖7 數(shù)據(jù)庫(kù)

采集之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)C# 語(yǔ)言搭建的框架進(jìn)行配置并發(fā)布，設(shè)備和信號(hào)配置界面見圖8。

圖8 車間數(shù)據(jù)采集信號(hào)

在配置界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理之后， 通過(guò)MQTT 協(xié)議發(fā)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(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)民爆車間現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試， 部署了該生產(chǎn)管理系統(tǒng)之后，應(yīng)急響應(yīng)效率提升了30%以上，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)之間的生產(chǎn)信息展示時(shí)延不超過(guò)1s， 大大提高了生產(chǎn)與管理之間的交互速率。

本系統(tǒng)雖然基本做到了打通生產(chǎn)與管理之間的信息壁壘，但是展示頁(yè)面只做到了數(shù)字化展示，并且時(shí)延性較高，無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控。更進(jìn)一步的可以進(jìn)行三維可視化建模，構(gòu)建虛擬生產(chǎn)線，并通過(guò)有效手段降低時(shí)延，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析， 并對(duì)各環(huán)節(jié)的生產(chǎn)壽命及故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，建成數(shù)字孿生生產(chǎn)線。