基于OPC UA的自动化立体仓库监控系统设计

赵增辉，冯 旭

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

随着我国智能制造及物流仓储的快速发展，设备之间的互联互通、软件平台的系统集成，成为了制造业发展的一项关键问题[1]。自动化立体仓库中的WCS、WMS、监控系统和信息采集系统之间的无缝对接，以上几大系统与外部上游ERP、SAP等系统的数据和指令交互，在智能仓储物流领域有着非常重要的意义。

监控系统承载着自动化立体仓库的众多可视化功能，是用户针对设备参数进行实时观测的重要门户。基于OPC UA协议的监控系统具有更好的实时性、安全性和平台兼容性，依托于其体系架构中的TCP/IP Socket传输，较传统方式更为稳定和高效。

1 OPC UA特点

OPC UA基于OPC基金会提供的新一代技术，提供安全、可靠和独立于厂商的，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。使用OPC UA技术，所有需要的信息可随时随地到达每个授权应用和每个授权人员。OPC UA是目前已经使用的OPC工业标准的补充，提供重要的一些特性，包括如平台独立性，扩展性，高可靠性和连接互联网的能力[2]。OPC UA不再依靠DCOM，而是基于面向服务的架构(SOA)，它具备以下优势：

1)通过一个通用接口集成之前所有OPC的特性和信息。

2)更加开放，具有平台无关性，WINDOWS、Linux平台都能兼容。

3)扩展了对象类型，支持更复杂的数据类型，例如变量，方法和事件。

4)在协议和应用层集成了安全功能，更加安全。

5)易于配置和使用。

2 通讯架构设计

本系统的通讯架构分为四层进行搭建，自下而上分别为：数据源、OPC服务、数据感知服务及WCS服务，如图1所示。

图1 通讯架构图

◆数据源：为PLC中的、被上位系统所需读取或写入的状态点，PLC应支持OPC UA协议。

◆OPC服务：一般采用设备厂商所提供的OPC UA服务，如果个性化需求较多，也可以进行自主搭建或采用第三方OPC UA服务。OPC UA服务是旨在访问实时数据，并提供来自不同供应商的其他功能，如事件处理，日志记录等。它充当OPC客户端和本地通信的数据源之间的翻译器，具有读取和写入PLC的功能。

◆数据感知服务：既作为OPC服务的客户端，也同时作为WCS功能流程的驱动器，在监测PLC状态点信息变化的同时，调取相应的WCS服务和具体功能。在遵循OPC UA订阅机制的基础上，实现程序变量的异步更新。该服务针对上位系统关注的每个PLC状态点建立信息模型(Item)，包括：变量地址、变量类型、变量值、变量句柄、变量值触发事件以及变量备注。其中，通过自定义变量值触发事件可以避免使用定时器对PLC循环访问和读取，减少资源占用，提高响应速度。

◆WCS服务：提供上位系统功能流程服务，数据库记录监测等内容，其中的功能服务可与自定义Item中的变量值触发事件相绑定。利用SQL Server的SQL Dependency机制，可实现数据库内容变化与相应功能的异步触发，大大减少客户端不断轮询访问数据库所导致的卡顿。

通过四层架构的搭建，在开发时将软件系统划分的更为清晰明了，为标准化开发提供帮助；可以使团队成员各司其职，分工于各层的代码编写中，专注开发系统架构中的每一层；降低软件系统中各结构层之间的耦合度，增加各模块的可重用性，降低开发成本和后期维护成本。

3 可视化功能实现

自动化立体仓库监控系统包括以下核心可视化功能，实现案例如图2所示。

◆设备侧视动态图：堆垛机实时位置、提升机实时位置、货叉上托盘或料箱状态。

◆设备俯视动态图：各堆垛机实时位置、各提升机实时位置、传输线上托盘或料箱状态。

◆行走机构实时参数：堆垛机当前速度、加速度、功耗、累计运行时间、电流值等。

◆升降机构实时参数：提升机当前速度、加速度、功耗、累计运行时间、电流值等。

◆挂取机构实时参数：货叉当前速度、加速度、功耗、累计运行时间、电流值等。

◆当前任务列表：显示当前任务队列情况，包括作业号、取货口、设备号、托盘或料箱号、源货位、目标货位、作业类型、生成时间、执行时间、作业状态、优先级等。

◆统计图表：设备报警频次统计、出入库次数统计、料箱使用频率统计等。

图2 监控系统案例界面

4 OPC UA服务通讯实例

下面以数据订阅和自定义信息模型为例，来说明OPC UA异步通讯方式的应用。

1)订阅包含一组由客户端分配的监控项，监控项可以生成通知，并由订阅发送给客户端。订阅以回应发布请求的方式向客户端发送通知消息。发布请求通常以接收顺序存储到Session中，当有通知需要发送时，在每次发布循环时，会从队列中取出相应的请求，并发送通知到客户端，如果没有待发送通知，请求则不会从队列中被删除。关键代码如下：

PLCNodesFactory.AddClientItems();

if (mySubscription == null){mySubscription = myClientHelperAPI.Subscribe(200);}

int itemCount = 0;

for (int i = 1; i < ClientItem.Count; i++){

itemCount++;

string monitoredItemName = itemCount.ToString();

myMonitoredItem=myClientHelperAPI.AddMonitoredItem(mySubscription,((PLCItem)ClientItem[i])ServerAddress.ToString(), monitoredItemName, 1);

myClientHelperAPI.AddMonitoredItem(new NodeId(ItemIDs[i],m_NameSpaceIndex),i, ClientApi_ValueChanged, 100, out monitoredItemServerHandle);}

myClientHelperAPI.ItemChangedNotification+=newMonitoredItemNotificationEventHandler(Notification_MonitoredItem);

2)针对OPC UA订阅机制建立的自定义信息模型，可以在已订阅的PLC变量值发生变化时，触发相应的绑定事件，进行异步动作。下面以父类为例给出关键代码：

public delegate void ChangeHandler(object sender, object v);

public class PLCItem : INotifyPropertyChanged{

public event PropertyChangedEventHandler PropertyChanged;

public Type TypeOfItem;

public string Comment;

public int ServerHandle { get; set; }

public virtual void OnPropertyChanged(string propertyName){

PropertyChangedEventHandler handler = PropertyChanged;

if (handler != null){handler(this, new PropertyChangedEventArgs(propertyName));}}

protected virtual void OnChanged(object sender, object v, object old, ChangeHandler handler){

if (!v.Equals(old) && handler != null){handler(sender, v);}}}

5 结束语

本文介绍了OPC UA的概念与特点，探讨了基于OPC UA的自动化立体仓库监控系统的通讯架构和核心功能，给出了订阅模式中软件系统与OPC UA服务通讯的实例，设计了一种具有异步反馈功能的自定义信息模型。文中阐述的设计思路已经通过了多个项目的实际验证，具有一定的借鉴意义。