基于OPC XML的物流自动化系统集成研究

徐 斌，潘瑞林，暴 伟

（1.安徽工业大学 管理科学与工程学院，马鞍山 243032；2.河海大学 计算机与信息学院，南京 211100）

0 引言

物流业是国民经济发展的动脉和基础产业，现代物流在国际上被公认为是成长潜力巨大的朝阳产业。近些年来，物流业越来越显示其作为国民经济的重要产业和新的经济增长点的重要性，引起各界的高度重视。现代物流主要解决的问题是物流活动的机械化、自动化和合理化。所谓物流自动化，是把先进的自动化技术和方法广泛应用于物流活动的各个方面，实现物流管理、物流作业、物流控制过程的无人化与高效化，促进物流成本减低，使物流过程各环节合理结合以提高效率满足用户需求[1]。

物流自动化系统的集成包括两个方面，一是物流自动化装备单元间的集成，以实现协同作业为目的，如自动化立体仓库与自动分拣机、机器人、AGV等设备的集成，可实现出入库、分拣、配送等作业的自动化衔接，在本文中将其定义为物流自动化系统的横向集成。二是管控一体化的集成，即物流管理信息系统与物流自动化装备间的集成，以实现智能管理为目的，提高管理系统与作业现场的实时一致性，在企业信息化中也可归为制造执行系统（MES）范畴，在本文中将其定义为物流自动化系统的纵向集成。

物流自动化系统的集成是实现物流管控一体化与智能化的基础，可大大提高物流管理水平。因此，如何构建符合工业信息标准的、支持分布式、异构系统的集成技术正成为亟待解决的问题。

1 物流自动化系统的结构分析

物流自动化系统是具有现代自动化学科显著特点的大型复杂系统，它可以看成现代物流装备、计算机及其网络系统、信息识别和信息管理系统、智能控制系统的有机集成，是集机、光、电、液、气为一体的复杂系统工程，是在一定的时间和空间里，由所需输送的物料和相关的设备、输送工具、仓储设施、人员及通信联系等若干相互制约的动态要素构成的具有特定功能的有机整体。它广泛应用于机械、电子、商业、化工、交通、食品、烟草等各行各业，能够实现物料运输、识别、分拣、堆码、仓储、检索、发售等各个环节的全过程自动化作业[2]。

1.1 物流自动化系统组成

物流自动化系统可分为机械执行装置、电气控制装置、数据采集装置、通信接口与网络、信息管理及智能控制系统等五部分，如图1所示。

机械执行装置包括运输设备、装卸设备、输送设备、仓储设备、集装化设备、包装设备、流通加工设备以及支撑承重结构等。机械执行装置是对物料直接进行操作的机构，对于不同类型的物料，在不同的使用场合，适用不同的搬运要求，前端执行装置都要作出针对性的独特设计。因此，机械执行机构是物流自动化系统中种类最多、结构差异最大、最具代表性的部分。

机械装置的驱动和控制主要是由各种电气控制装置来实现。传统的电气控制装置包括低压电气装置、电机及调速装置、变频装置、可编程控制器、单片机等。新型的控制装置包括嵌入式系统、工控机（PC）系统等。电气控制装置直接决定了自动化系统的运行能力和技术参数，体现了物流自动化系统的设计和制造水平，是物流自动化系统的关键部分。

数据采集装置一般为新型的物流信息技术的综合应用，包括各种新型传感器、条码技术、IC卡技术、射频技术、图像识别技术、语音识别技术和各种检测监控技术等，是用于采集和获取物料信息和环境参数的重要部分。如果没有数据采集，现代的物流自动化系统就很难获得必要的数据输入和反馈，就没有办法实现智能化。

信息管理和智能控制系统是物流自动化系统的大脑，它储存物流自动化系统运行所需要的数据，并根据特定的数学模型对整个系统进行调度和指挥，还能通过各种通信网络与外部系统进行通信和数据交换。信息管理和智能控制系统包括智能控制模型、管理信息系统、数据库、决策支持系统、专家系统、人工智能系统等。物流自动化系统是否具有强大的信息管理和智能控制系统是其集成化和智能化的重要标志。

通信接口与网络包含各种现场总线标准，也包括新型的工业以太网、物联网等技术标准，相当于人体的神经系统。由于网络和通信技术在近10年内突飞猛进的发展，出现了很多创新的应用方式，使得物流自动化系统的各种子系统和部件可以在广阔的空间内实时传输各种数据，大大提高了整个系统的集成化和智能化程度，甚至于颠覆了传统的物流自动化系统的区域局限性。应用各种先进的网络和通信技术，使得我们有可能集成跨地域的超大型物流自动化系统。

以护理信息系统为平台，应用内置品管工具自动进行大数据分类汇总、统计分析，将烦琐、复杂的质量控制化繁为简，将海量信息转变为条理的数据，将复杂语言描述转化为品管图表，有利于实现护理质量管理自动化、科学性。

1.2 物流自动化系统特点

物流自动化系统是一个包含多个环节，将光、机、电、控制、信息等先进技术组合在一起的复杂系统，因而必须利用系统科学的思想和方法来建立、分析和优化系统结构，合理定义和划分各子系统的功能和任务，科学配置和协调内部参数，使系统具有最高运行效率和可靠性，因此系统化是物流自动化系统的内在要求，而系统化与集成化则密不可分，集成化为系统化提供基础条件，物流自动化系统的集成包含管理集成和技术集成两方面，尤其是技术集成是首要解决的问题。

智能化是物流自动化的提升方向，也称为自働化，智能化在更大范围内和更高层次上实现物流管理的自动化，要求系统具有一定的智能性。智能化的实现本质上是要求自动化系统实现网络化和信息化，即要求物流自动化系统要具备网络通讯功能，实现分布式管理，此外还要与高级管理信息系统集成，接入数据库系统，这样才能优化自动化系统的运作。

2 系统集成相关技术研究

信息集成是系统发展到较高阶段所要求的性能，它是系统发生质变的标志。研究信息集成的技术是各系统之间集成的基础，是实现CIMS的关键。当前现场控制系统集成主要依赖国外成熟的中间件技术，不具有通用性，其次依据具体项目开发，可集成的信息有限，并且系统间采用紧耦合以及持久连接，不方便维护和扩展，也不能实现跨地域的集成。下面对有关系统集成的关键技术标准进行介绍[3～10]：

1）XML的数据交换技术

系统集成的本质是数据共享，即定义数据交换标准，可扩展标记语言（XML）为万维网协会（W3C）推荐的数据交换标准，可用于定义Web中的文档元素，也可用于复杂结构数据的表示和传输，由于XML是自描述语言、形式与内容分离，还可直接与本地数据库建立映射关系，因此具有良好的扩展性、跨平台性、易用性，适用于网络数据发布与交换，是跨平台、跨地域异构应用集成的首选数据交换格式。

2）Web Service技术

Web Service是一种为其他应用程序提供数据与服务应用组件，具有平台独立、低耦合、自包含等特点。Web Service使用XML标准来描述、发布、发现、协调和配置，因此也称为XML Web Service，Web Service本质上是一种通过网络调用的API，用于开发分布式的互操作的应用程序，各应用程序通过网络协议和标准的XML数据格式来访问Web Service，通过Web Service内部执行得到所需结果。Web Service可以执行从简单的请求到复杂商务处理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service应用程序可以发现并调用它部署的服务。Web Service的主要目标是跨平台的可互操作性，独立于平台、独立于软件供应商的标准，通过.NET或J2EE框架都能方便的进行Web Service开发，广泛用于解决分布式系统集成问题。

3）OPC XML-DA技术

OPC（OLE for Process Control）XML-DA是一种用于过程控制的RPC标准，基于XML和Web Service标准构建，用SOAP作为对应用程序共享消息进行包装的标准协议，这种RPC标准应该具有良好的跨平台通用性。

OPC定义了一套应用于支持过程数据访问、报警、事件、过程历史数据访问等功能的COM接口，OPC服务器一方面负责与现场设备的通信，另一方面将获取的数据通过标准的OPC接口供调用方调用。早期的OPC规范是基于Microsoft COM/DCOM技术制定的，已经得到工业界的广泛应用，但存在缺少跨平台通用性、较难与Internet应用程序集成、较难与企业应用程序连接等不足，而OPC XML-DA规范则能很好的解决COM接口的不足，方便实现了工业控制系统与网络应用的集成。

4）ISA-95标准

ISA-95标准是由美国国家标准局（ANSI）和仪表、系统和自动化学会（ISA）联合发布，全称“企业与控制系统集成”标准，它基于四层制造企业层次结构，定义了连接企业和控制层行为的良好集成标准，重点是业务规划和物流层，以及制造操作和控制层。ISA95的目的是提供一致的功能描述术语、信息和操作模型、以及信息数据交换，用于指导和规范企业管理信息系统与控制系统集成。

3 基于OPC XML的物流自动化系统集成

在实践中，物流自动化系统集成主要解决三个层次的接口问题：机械层、电气层、信息层。机械层是实现硬件装备的对接，可通过加装，如滚筒输送链，搬运机器人、AGV等；电气层的集成主要是自动化系统的整合，也属于硬件层面上的紧耦合，具有一定的局限性；信息层的集成通过主控计算机协调管理多个自动化单元，各单元间是一种松耦合关系，具有很强的灵活性和开放性，能突破区域的限制，实现真正意义上的物流自动化系统集成。基于信息层的集成过程方法如下：

首先，建立物流自动化控制系统对象模型，按照ISA-95标准对系统接口进行规范定义，运用UML进行建模，分析系统的用例图、交互图、顺序图等。完成数据结构的设计及建表。其次，分析现场物流自动化设备控制系统的技术特征，依据经常涉及到的扫描枪、射频读写器、移动终端等设备的通讯特点，建立统一的现场通讯技术标准，优化子系统间通讯接口。最后，基于OPC XML的系统集成组件开发技术，开发并封装业务运行所依赖的对象，将数据接口通过服务发布。开发二级控制系统进行集成测试。

3.1 集成系统平台架构

本文设计的物流自动化集成系统平台架构如图2所示，分为基础硬件层、通信网络层、平台服务层、应用层等四个层次，核心思想是采用SOA（面向服务架构），采用OPC XML标准技术。首先对基础硬件层的物流自动化与信息技术设备单元进行梳理，抽取单元管控数据接口；通信网络层解决了平台服务层与基础硬件层的通信问题，同时也能满足硬件单元间的通信要求；平台服务层统一了对现场硬件层的管控接口及数据访问，实现了物流自动化系统的横向集成，同时也作为与上层管理信息系统纵向集成的支撑平台。

图2 物流自动化系统集成平台分层结构

3.2 通讯网络接口设计

物流自动化系统的显著特点是与信息技术的结合，如电子标签、RFID、条码阅读器、无线手持等信息系统，因此，现场通讯除了要集成自动化控制单元还要考虑信息采集设备单元。PLC厂商一般均支持成熟的现场通信标准，如西门子S7-200系列PLC通过选配通信模块即可支持PPI、Profi-Bus、Intranet等协议，而信息技术处理设备如条码阅读器、RFID读写器等一般采用RS-232或Intranet通信协议，此外，在物流系统中还有大量基于ARM处理器的嵌入式控制系统，如机器人、电子标签辅助分拣、信息看板、AGV小车等，这类设备一般均支持Intranet或串口协议，因此，在实践中，作者建议将现场通信标准统一规划为工业以太网和串口两类，包括有线和无线两种形式。本文研究中采用多串口工控机作为OPC服务器，以工业以太网和串口协议连接了现场设备，通信效果稳定良好。

3.3 原型系统开发

物流自动化系统集成应遵循ISA-95标准，综合采用OPC、SOA、AJAX、XML等技术开发高性能的接口中间件。所有现场控制系统与物流信息采集系统的数据都将在统一的服务平台上进行管理，在采用OPC技术构建服务接口后，便可开发组态软件对所有物流自动化系统进行集中管控，封装后的OPC接口可与物流管理信息系统进行信息交互，实现管理与控制的集成，也可以通过Web Services技术将数据功能接口发布到互联网上实现远程调用。

原型系统采用C++语言开发，运行效果如图3所示，该系统集成了自动化立体库、自动分拣机、AGV小车、搬运机器人等设备，主要信息采集设备使用RFID读写器，可实现立体库出入库——自动分拣——机器人搬运——AGV运送——流通加工等环节的全过程集成。

图3 物流自动化集成原型系统运行效果

4 结束语

物流自动化系统集成的目的是将多个物流自动化单元组织成一个大型的有机的物流自动化系统，各单元既保留独立的功能又能相互通信、灵活协作、智能调度，使现有装备最大限度提高物流作业效率。

本文针对物流自动化系统的信息采集与作业流程特点，专门提出物流自动化系统信息治理与集成方案。遵循ISA-95标准规范对物流自动化系统进行建模与集成设计，采用OPC与SOA技术来解决物流自动化系统集成的核心问题，在统一的物流信息管理或智能控制平台上实现对现场所有物流自动化系统的数据集成，实现了管控一体化平台，具有很强的应用价值。

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