基于OPC XML的物流自動化系統(tǒng)集成研究

徐 斌，潘瑞林，暴 偉

（1.安徽工業(yè)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2.河海大學(xué) 計算機(jī)與信息學(xué)院，南京 211100）

0 引言

物流業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動脈和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代物流在國際上被公認(rèn)為是成長潛力巨大的朝陽產(chǎn)業(yè)。近些年來，物流業(yè)越來越顯示其作為國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長點的重要性，引起各界的高度重視?，F(xiàn)代物流主要解決的問題是物流活動的機(jī)械化、自動化和合理化。所謂物流自動化，是把先進(jìn)的自動化技術(shù)和方法廣泛應(yīng)用于物流活動的各個方面，實現(xiàn)物流管理、物流作業(yè)、物流控制過程的無人化與高效化，促進(jìn)物流成本減低，使物流過程各環(huán)節(jié)合理結(jié)合以提高效率滿足用戶需求[1]。

物流自動化系統(tǒng)的集成包括兩個方面，一是物流自動化裝備單元間的集成，以實現(xiàn)協(xié)同作業(yè)為目的，如自動化立體倉庫與自動分揀機(jī)、機(jī)器人、AGV等設(shè)備的集成，可實現(xiàn)出入庫、分揀、配送等作業(yè)的自動化銜接，在本文中將其定義為物流自動化系統(tǒng)的橫向集成。二是管控一體化的集成，即物流管理信息系統(tǒng)與物流自動化裝備間的集成，以實現(xiàn)智能管理為目的，提高管理系統(tǒng)與作業(yè)現(xiàn)場的實時一致性，在企業(yè)信息化中也可歸為制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）范疇，在本文中將其定義為物流自動化系統(tǒng)的縱向集成。

物流自動化系統(tǒng)的集成是實現(xiàn)物流管控一體化與智能化的基礎(chǔ)，可大大提高物流管理水平。因此，如何構(gòu)建符合工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)的、支持分布式、異構(gòu)系統(tǒng)的集成技術(shù)正成為亟待解決的問題。

1 物流自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

物流自動化系統(tǒng)是具有現(xiàn)代自動化學(xué)科顯著特點的大型復(fù)雜系統(tǒng)，它可以看成現(xiàn)代物流裝備、計算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息識別和信息管理系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)的有機(jī)集成，是集機(jī)、光、電、液、氣為一體的復(fù)雜系統(tǒng)工程，是在一定的時間和空間里，由所需輸送的物料和相關(guān)的設(shè)備、輸送工具、倉儲設(shè)施、人員及通信聯(lián)系等若干相互制約的動態(tài)要素構(gòu)成的具有特定功能的有機(jī)整體。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、商業(yè)、化工、交通、食品、煙草等各行各業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)物料運(yùn)輸、識別、分揀、堆碼、倉儲、檢索、發(fā)售等各個環(huán)節(jié)的全過程自動化作業(yè)[2]。

1.1 物流自動化系統(tǒng)組成

物流自動化系統(tǒng)可分為機(jī)械執(zhí)行裝置、電氣控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、通信接口與網(wǎng)絡(luò)、信息管理及智能控制系統(tǒng)等五部分，如圖1所示。

機(jī)械執(zhí)行裝置包括運(yùn)輸設(shè)備、裝卸設(shè)備、輸送設(shè)備、倉儲設(shè)備、集裝化設(shè)備、包裝設(shè)備、流通加工設(shè)備以及支撐承重結(jié)構(gòu)等。機(jī)械執(zhí)行裝置是對物料直接進(jìn)行操作的機(jī)構(gòu)，對于不同類型的物料，在不同的使用場合，適用不同的搬運(yùn)要求，前端執(zhí)行裝置都要作出針對性的獨(dú)特設(shè)計。因此，機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)是物流自動化系統(tǒng)中種類最多、結(jié)構(gòu)差異最大、最具代表性的部分。

機(jī)械裝置的驅(qū)動和控制主要是由各種電氣控制裝置來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的電氣控制裝置包括低壓電氣裝置、電機(jī)及調(diào)速裝置、變頻裝置、可編程控制器、單片機(jī)等。新型的控制裝置包括嵌入式系統(tǒng)、工控機(jī)（PC）系統(tǒng)等。電氣控制裝置直接決定了自動化系統(tǒng)的運(yùn)行能力和技術(shù)參數(shù)，體現(xiàn)了物流自動化系統(tǒng)的設(shè)計和制造水平，是物流自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

數(shù)據(jù)采集裝置一般為新型的物流信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，包括各種新型傳感器、條碼技術(shù)、IC卡技術(shù)、射頻技術(shù)、圖像識別技術(shù)、語音識別技術(shù)和各種檢測監(jiān)控技術(shù)等，是用于采集和獲取物料信息和環(huán)境參數(shù)的重要部分。如果沒有數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)代的物流自動化系統(tǒng)就很難獲得必要的數(shù)據(jù)輸入和反饋，就沒有辦法實現(xiàn)智能化。

信息管理和智能控制系統(tǒng)是物流自動化系統(tǒng)的大腦，它儲存物流自動化系統(tǒng)運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)，并根據(jù)特定的數(shù)學(xué)模型對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度和指揮，還能通過各種通信網(wǎng)絡(luò)與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。信息管理和智能控制系統(tǒng)包括智能控制模型、管理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、決策支持系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、人工智能系統(tǒng)等。物流自動化系統(tǒng)是否具有強(qiáng)大的信息管理和智能控制系統(tǒng)是其集成化和智能化的重要標(biāo)志。

通信接口與網(wǎng)絡(luò)包含各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，也包括新型的工業(yè)以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于人體的神經(jīng)系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)在近10年內(nèi)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多創(chuàng)新的應(yīng)用方式，使得物流自動化系統(tǒng)的各種子系統(tǒng)和部件可以在廣闊的空間內(nèi)實時傳輸各種數(shù)據(jù)，大大提高了整個系統(tǒng)的集成化和智能化程度，甚至于顛覆了傳統(tǒng)的物流自動化系統(tǒng)的區(qū)域局限性。應(yīng)用各種先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，使得我們有可能集成跨地域的超大型物流自動化系統(tǒng)。

以護(hù)理信息系統(tǒng)為平臺，應(yīng)用內(nèi)置品管工具自動進(jìn)行大數(shù)據(jù)分類匯總、統(tǒng)計分析，將煩瑣、復(fù)雜的質(zhì)量控制化繁為簡，將海量信息轉(zhuǎn)變?yōu)闂l理的數(shù)據(jù)，將復(fù)雜語言描述轉(zhuǎn)化為品管圖表，有利于實現(xiàn)護(hù)理質(zhì)量管理自動化、科學(xué)性。

1.2 物流自動化系統(tǒng)特點

物流自動化系統(tǒng)是一個包含多個環(huán)節(jié)，將光、機(jī)、電、控制、信息等先進(jìn)技術(shù)組合在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，因而必須利用系統(tǒng)科學(xué)的思想和方法來建立、分析和優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理定義和劃分各子系統(tǒng)的功能和任務(wù)，科學(xué)配置和協(xié)調(diào)內(nèi)部參數(shù)，使系統(tǒng)具有最高運(yùn)行效率和可靠性，因此系統(tǒng)化是物流自動化系統(tǒng)的內(nèi)在要求，而系統(tǒng)化與集成化則密不可分，集成化為系統(tǒng)化提供基礎(chǔ)條件，物流自動化系統(tǒng)的集成包含管理集成和技術(shù)集成兩方面，尤其是技術(shù)集成是首要解決的問題。

智能化是物流自動化的提升方向，也稱為自働化，智能化在更大范圍內(nèi)和更高層次上實現(xiàn)物流管理的自動化，要求系統(tǒng)具有一定的智能性。智能化的實現(xiàn)本質(zhì)上是要求自動化系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和信息化，即要求物流自動化系統(tǒng)要具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能，實現(xiàn)分布式管理，此外還要與高級管理信息系統(tǒng)集成，接入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這樣才能優(yōu)化自動化系統(tǒng)的運(yùn)作。

2 系統(tǒng)集成相關(guān)技術(shù)研究

信息集成是系統(tǒng)發(fā)展到較高階段所要求的性能，它是系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變的標(biāo)志。研究信息集成的技術(shù)是各系統(tǒng)之間集成的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)CIMS的關(guān)鍵。當(dāng)前現(xiàn)場控制系統(tǒng)集成主要依賴國外成熟的中間件技術(shù)，不具有通用性，其次依據(jù)具體項目開發(fā)，可集成的信息有限，并且系統(tǒng)間采用緊耦合以及持久連接，不方便維護(hù)和擴(kuò)展，也不能實現(xiàn)跨地域的集成。下面對有關(guān)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行介紹[3～10]：

1）XML的數(shù)據(jù)交換技術(shù)

系統(tǒng)集成的本質(zhì)是數(shù)據(jù)共享，即定義數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）為萬維網(wǎng)協(xié)會（W3C）推薦的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可用于定義Web中的文檔元素，也可用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的表示和傳輸，由于XML是自描述語言、形式與內(nèi)容分離，還可直接與本地數(shù)據(jù)庫建立映射關(guān)系，因此具有良好的擴(kuò)展性、跨平臺性、易用性，適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)布與交換，是跨平臺、跨地域異構(gòu)應(yīng)用集成的首選數(shù)據(jù)交換格式。

2）Web Service技術(shù)

Web Service是一種為其他應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)與服務(wù)應(yīng)用組件，具有平臺獨(dú)立、低耦合、自包含等特點。Web Service使用XML標(biāo)準(zhǔn)來描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)、協(xié)調(diào)和配置，因此也稱為XML Web Service，Web Service本質(zhì)上是一種通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用的API，用于開發(fā)分布式的互操作的應(yīng)用程序，各應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的XML數(shù)據(jù)格式來訪問Web Service，通過Web Service內(nèi)部執(zhí)行得到所需結(jié)果。Web Service可以執(zhí)行從簡單的請求到復(fù)雜商務(wù)處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應(yīng)用程序可以發(fā)現(xiàn)并調(diào)用它部署的服務(wù)。Web Service的主要目標(biāo)是跨平臺的可互操作性，獨(dú)立于平臺、獨(dú)立于軟件供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)，通過.NET或J2EE框架都能方便的進(jìn)行Web Service開發(fā)，廣泛用于解決分布式系統(tǒng)集成問題。

3）OPC XML-DA技術(shù)

OPC（OLE for Process Control）XML-DA是一種用于過程控制的RPC標(biāo)準(zhǔn)，基于XML和Web Service標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，用SOAP作為對應(yīng)用程序共享消息進(jìn)行包裝的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這種RPC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該具有良好的跨平臺通用性。

OPC定義了一套應(yīng)用于支持過程數(shù)據(jù)訪問、報警、事件、過程歷史數(shù)據(jù)訪問等功能的COM接口，OPC服務(wù)器一方面負(fù)責(zé)與現(xiàn)場設(shè)備的通信，另一方面將獲取的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口供調(diào)用方調(diào)用。早期的OPC規(guī)范是基于Microsoft COM/DCOM技術(shù)制定的，已經(jīng)得到工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，但存在缺少跨平臺通用性、較難與Internet應(yīng)用程序集成、較難與企業(yè)應(yīng)用程序連接等不足，而OPC XML-DA規(guī)范則能很好的解決COM接口的不足，方便實現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的集成。

4）ISA-95標(biāo)準(zhǔn)

ISA-95標(biāo)準(zhǔn)是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）和儀表、系統(tǒng)和自動化學(xué)會（ISA）聯(lián)合發(fā)布，全稱“企業(yè)與控制系統(tǒng)集成”標(biāo)準(zhǔn)，它基于四層制造企業(yè)層次結(jié)構(gòu)，定義了連接企業(yè)和控制層行為的良好集成標(biāo)準(zhǔn)，重點是業(yè)務(wù)規(guī)劃和物流層，以及制造操作和控制層。ISA95的目的是提供一致的功能描述術(shù)語、信息和操作模型、以及信息數(shù)據(jù)交換，用于指導(dǎo)和規(guī)范企業(yè)管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成。

3 基于OPC XML的物流自動化系統(tǒng)集成

在實踐中，物流自動化系統(tǒng)集成主要解決三個層次的接口問題：機(jī)械層、電氣層、信息層。機(jī)械層是實現(xiàn)硬件裝備的對接，可通過加裝，如滾筒輸送鏈，搬運(yùn)機(jī)器人、AGV等；電氣層的集成主要是自動化系統(tǒng)的整合，也屬于硬件層面上的緊耦合，具有一定的局限性；信息層的集成通過主控計算機(jī)協(xié)調(diào)管理多個自動化單元，各單元間是一種松耦合關(guān)系，具有很強(qiáng)的靈活性和開放性，能突破區(qū)域的限制，實現(xiàn)真正意義上的物流自動化系統(tǒng)集成。基于信息層的集成過程方法如下：

首先，建立物流自動化控制系統(tǒng)對象模型，按照ISA-95標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)接口進(jìn)行規(guī)范定義，運(yùn)用UML進(jìn)行建模，分析系統(tǒng)的用例圖、交互圖、順序圖等。完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及建表。其次，分析現(xiàn)場物流自動化設(shè)備控制系統(tǒng)的技術(shù)特征，依據(jù)經(jīng)常涉及到的掃描槍、射頻讀寫器、移動終端等設(shè)備的通訊特點，建立統(tǒng)一的現(xiàn)場通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化子系統(tǒng)間通訊接口。最后，基于OPC XML的系統(tǒng)集成組件開發(fā)技術(shù)，開發(fā)并封裝業(yè)務(wù)運(yùn)行所依賴的對象，將數(shù)據(jù)接口通過服務(wù)發(fā)布。開發(fā)二級控制系統(tǒng)進(jìn)行集成測試。

3.1 集成系統(tǒng)平臺架構(gòu)

本文設(shè)計的物流自動化集成系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖2所示，分為基礎(chǔ)硬件層、通信網(wǎng)絡(luò)層、平臺服務(wù)層、應(yīng)用層等四個層次，核心思想是采用SOA（面向服務(wù)架構(gòu)），采用OPC XML標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。首先對基礎(chǔ)硬件層的物流自動化與信息技術(shù)設(shè)備單元進(jìn)行梳理，抽取單元管控數(shù)據(jù)接口；通信網(wǎng)絡(luò)層解決了平臺服務(wù)層與基礎(chǔ)硬件層的通信問題，同時也能滿足硬件單元間的通信要求；平臺服務(wù)層統(tǒng)一了對現(xiàn)場硬件層的管控接口及數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)了物流自動化系統(tǒng)的橫向集成，同時也作為與上層管理信息系統(tǒng)縱向集成的支撐平臺。

圖2 物流自動化系統(tǒng)集成平臺分層結(jié)構(gòu)

3.2 通訊網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計

物流自動化系統(tǒng)的顯著特點是與信息技術(shù)的結(jié)合，如電子標(biāo)簽、RFID、條碼閱讀器、無線手持等信息系統(tǒng)，因此，現(xiàn)場通訊除了要集成自動化控制單元還要考慮信息采集設(shè)備單元。PLC廠商一般均支持成熟的現(xiàn)場通信標(biāo)準(zhǔn)，如西門子S7-200系列PLC通過選配通信模塊即可支持PPI、Profi-Bus、Intranet等協(xié)議，而信息技術(shù)處理設(shè)備如條碼閱讀器、RFID讀寫器等一般采用RS-232或Intranet通信協(xié)議，此外，在物流系統(tǒng)中還有大量基于ARM處理器的嵌入式控制系統(tǒng)，如機(jī)器人、電子標(biāo)簽輔助分揀、信息看板、AGV小車等，這類設(shè)備一般均支持Intranet或串口協(xié)議，因此，在實踐中，作者建議將現(xiàn)場通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一規(guī)劃為工業(yè)以太網(wǎng)和串口兩類，包括有線和無線兩種形式。本文研究中采用多串口工控機(jī)作為OPC服務(wù)器，以工業(yè)以太網(wǎng)和串口協(xié)議連接了現(xiàn)場設(shè)備，通信效果穩(wěn)定良好。

3.3 原型系統(tǒng)開發(fā)

物流自動化系統(tǒng)集成應(yīng)遵循ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，綜合采用OPC、SOA、AJAX、XML等技術(shù)開發(fā)高性能的接口中間件。所有現(xiàn)場控制系統(tǒng)與物流信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都將在統(tǒng)一的服務(wù)平臺上進(jìn)行管理，在采用OPC技術(shù)構(gòu)建服務(wù)接口后，便可開發(fā)組態(tài)軟件對所有物流自動化系統(tǒng)進(jìn)行集中管控，封裝后的OPC接口可與物流管理信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，實現(xiàn)管理與控制的集成，也可以通過Web Services技術(shù)將數(shù)據(jù)功能接口發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用。

原型系統(tǒng)采用C++語言開發(fā)，運(yùn)行效果如圖3所示，該系統(tǒng)集成了自動化立體庫、自動分揀機(jī)、AGV小車、搬運(yùn)機(jī)器人等設(shè)備，主要信息采集設(shè)備使用RFID讀寫器，可實現(xiàn)立體庫出入庫——自動分揀——機(jī)器人搬運(yùn)——AGV運(yùn)送——流通加工等環(huán)節(jié)的全過程集成。

圖3 物流自動化集成原型系統(tǒng)運(yùn)行效果

4 結(jié)束語

物流自動化系統(tǒng)集成的目的是將多個物流自動化單元組織成一個大型的有機(jī)的物流自動化系統(tǒng)，各單元既保留獨(dú)立的功能又能相互通信、靈活協(xié)作、智能調(diào)度，使現(xiàn)有裝備最大限度提高物流作業(yè)效率。

本文針對物流自動化系統(tǒng)的信息采集與作業(yè)流程特點，專門提出物流自動化系統(tǒng)信息治理與集成方案。遵循ISA-95標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對物流自動化系統(tǒng)進(jìn)行建模與集成設(shè)計，采用OPC與SOA技術(shù)來解決物流自動化系統(tǒng)集成的核心問題，在統(tǒng)一的物流信息管理或智能控制平臺上實現(xiàn)對現(xiàn)場所有物流自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，實現(xiàn)了管控一體化平臺，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值。

[1] 王微.現(xiàn)代信息技術(shù)革命與物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢[J].物流技術(shù),2013,124(1):3-8.

[2] 甘仲平.自動化物流裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].物流技術(shù)與應(yīng)用,2012,10(10):89-92.

[3] 鄧全亮,鄒益仁.基于OPC 技術(shù)的系統(tǒng)集成[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2005,1(1):160-164.

[4] Hsiao-Lan Wei, Christina W.Y. Wong, Kee-hung Lai.Linking inter-organizational trust with logistics information integration and partner cooperation under environmental uncertainty[J].International Journal of Production Economics,2012,139(2):642-653.

[5] Sen Zeng,Shuangxi Huang,Yushun Fan,.Service-Oriented Enterprise Network Performance Analysis[J].Tsinghua Science &Technology, 2009, 14(4):492-503.

[6] R.Zhang,D.Li,H.F. Huang.Logistics Transportation Vehicle System for Information Acquisition Based on Wireless Sensor Network[J].Procedia Engineering, 2012,29(5):3954-3958.

[7] 李頌華,陶麗紅,高棟.基于SOA架構(gòu)的物流信息系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].北京科技大學(xué)學(xué)報,2009,1(1):134-138.

[8] Wenan Tan,Ling Li,Wei Xu,etc.A role-oriented service system architecture for enterprise process collaboration[J].Computers &Operations Research,2012,39(8):1893-1900.

[9] 付海波,夏光蔚,胡冰.基于ERP/PDM/MES/PCS的數(shù)字制造系統(tǒng)信息集成研究[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2009,3(3):4-7.

[10] 李學(xué)軍,張明玉.基于SOA的物流信息系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].物流技術(shù),2007,26(3):104-106.