基于OPC XML的物流自動化系統集成研究

徐 斌，潘瑞林，暴 偉

（1.安徽工業大學 管理科學與工程學院，馬鞍山 243032；2.河海大學 計算機與信息學院，南京 211100）

0 引言

物流業是國民經濟發展的動脈和基礎產業，現代物流在國際上被公認為是成長潛力巨大的朝陽產業。近些年來，物流業越來越顯示其作為國民經濟的重要產業和新的經濟增長點的重要性，引起各界的高度重視?，F代物流主要解決的問題是物流活動的機械化、自動化和合理化。所謂物流自動化，是把先進的自動化技術和方法廣泛應用于物流活動的各個方面，實現物流管理、物流作業、物流控制過程的無人化與高效化，促進物流成本減低，使物流過程各環節合理結合以提高效率滿足用戶需求[1]。

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

物流自動化系統的集成是實現物流管控一體化與智能化的基礎，可大大提高物流管理水平。因此，如何構建符合工業信息標準的、支持分布式、異構系統的集成技術正成為亟待解決的問題。

1 物流自動化系統的結構分析

物流自動化系統是具有現代自動化學科顯著特點的大型復雜系統，它可以看成現代物流裝備、計算機及其網絡系統、信息識別和信息管理系統、智能控制系統的有機集成，是集機、光、電、液、氣為一體的復雜系統工程，是在一定的時間和空間里，由所需輸送的物料和相關的設備、輸送工具、倉儲設施、人員及通信聯系等若干相互制約的動態要素構成的具有特定功能的有機整體。它廣泛應用于機械、電子、商業、化工、交通、食品、煙草等各行各業，能夠實現物料運輸、識別、分揀、堆碼、倉儲、檢索、發售等各個環節的全過程自動化作業[2]。

1.1 物流自動化系統組成

物流自動化系統可分為機械執行裝置、電氣控制裝置、數據采集裝置、通信接口與網絡、信息管理及智能控制系統等五部分，如圖1所示。

機械執行裝置包括運輸設備、裝卸設備、輸送設備、倉儲設備、集裝化設備、包裝設備、流通加工設備以及支撐承重結構等。機械執行裝置是對物料直接進行操作的機構，對于不同類型的物料，在不同的使用場合，適用不同的搬運要求，前端執行裝置都要作出針對性的獨特設計。因此，機械執行機構是物流自動化系統中種類最多、結構差異最大、最具代表性的部分。

機械裝置的驅動和控制主要是由各種電氣控制裝置來實現。傳統的電氣控制裝置包括低壓電氣裝置、電機及調速裝置、變頻裝置、可編程控制器、單片機等。新型的控制裝置包括嵌入式系統、工控機（PC）系統等。電氣控制裝置直接決定了自動化系統的運行能力和技術參數，體現了物流自動化系統的設計和制造水平，是物流自動化系統的關鍵部分。

數據采集裝置一般為新型的物流信息技術的綜合應用，包括各種新型傳感器、條碼技術、IC卡技術、射頻技術、圖像識別技術、語音識別技術和各種檢測監控技術等，是用于采集和獲取物料信息和環境參數的重要部分。如果沒有數據采集，現代的物流自動化系統就很難獲得必要的數據輸入和反饋，就沒有辦法實現智能化。

信息管理和智能控制系統是物流自動化系統的大腦，它儲存物流自動化系統運行所需要的數據，并根據特定的數學模型對整個系統進行調度和指揮，還能通過各種通信網絡與外部系統進行通信和數據交換。信息管理和智能控制系統包括智能控制模型、管理信息系統、數據庫、決策支持系統、專家系統、人工智能系統等。物流自動化系統是否具有強大的信息管理和智能控制系統是其集成化和智能化的重要標志。

通信接口與網絡包含各種現場總線標準，也包括新型的工業以太網、物聯網等技術標準，相當于人體的神經系統。由于網絡和通信技術在近10年內突飛猛進的發展，出現了很多創新的應用方式，使得物流自動化系統的各種子系統和部件可以在廣闊的空間內實時傳輸各種數據，大大提高了整個系統的集成化和智能化程度，甚至于顛覆了傳統的物流自動化系統的區域局限性。應用各種先進的網絡和通信技術，使得我們有可能集成跨地域的超大型物流自動化系統。

以護理信息系統為平臺，應用內置品管工具自動進行大數據分類匯總、統計分析，將煩瑣、復雜的質量控制化繁為簡，將海量信息轉變為條理的數據，將復雜語言描述轉化為品管圖表，有利于實現護理質量管理自動化、科學性。

1.2 物流自動化系統特點

物流自動化系統是一個包含多個環節，將光、機、電、控制、信息等先進技術組合在一起的復雜系統，因而必須利用系統科學的思想和方法來建立、分析和優化系統結構，合理定義和劃分各子系統的功能和任務，科學配置和協調內部參數，使系統具有最高運行效率和可靠性，因此系統化是物流自動化系統的內在要求，而系統化與集成化則密不可分，集成化為系統化提供基礎條件，物流自動化系統的集成包含管理集成和技術集成兩方面，尤其是技術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和更高層次上實現物流管理的自動化，要求系統具有一定的智能性。智能化的實現本質上是要求自動化系統實現網絡化和信息化，即要求物流自動化系統要具備網絡通訊功能，實現分布式管理，此外還要與高級管理信息系統集成，接入數據庫系統，這樣才能優化自動化系統的運作。

2 系統集成相關技術研究

信息集成是系統發展到較高階段所要求的性能，它是系統發生質變的標志。研究信息集成的技術是各系統之間集成的基礎，是實現CIMS的關鍵。當前現場控制系統集成主要依賴國外成熟的中間件技術，不具有通用性，其次依據具體項目開發，可集成的信息有限，并且系統間采用緊耦合以及持久連接，不方便維護和擴展，也不能實現跨地域的集成。下面對有關系統集成的關鍵技術標準進行介紹[3～10]：

1）XML的數據交換技術

系統集成的本質是數據共享，即定義數據交換標準，可擴展標記語言（XML）為萬維網協會（W3C）推薦的數據交換標準，可用于定義Web中的文檔元素，也可用于復雜結構數據的表示和傳輸，由于XML是自描述語言、形式與內容分離，還可直接與本地數據庫建立映射關系，因此具有良好的擴展性、跨平臺性、易用性，適用于網絡數據發布與交換，是跨平臺、跨地域異構應用集成的首選數據交換格式。

2）Web Service技術

Web Service是一種為其他應用程序提供數據與服務應用組件，具有平臺獨立、低耦合、自包含等特點。Web Service使用XML標準來描述、發布、發現、協調和配置，因此也稱為XML Web Service，Web Service本質上是一種通過網絡調用的API，用于開發分布式的互操作的應用程序，各應用程序通過網絡協議和標準的XML數據格式來訪問Web Service，通過Web Service內部執行得到所需結果。Web Service可以執行從簡單的請求到復雜商務處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應用程序可以發現并調用它部署的服務。Web Service的主要目標是跨平臺的可互操作性，獨立于平臺、獨立于軟件供應商的標準，通過.NET或J2EE框架都能方便的進行Web Service開發，廣泛用于解決分布式系統集成問題。

3）OPC XML-DA技術

OPC（OLE for Process Control）XML-DA是一種用于過程控制的RPC標準，基于XML和Web Service標準構建，用SOAP作為對應用程序共享消息進行包裝的標準協議，這種RPC標準應該具有良好的跨平臺通用性。

OPC定義了一套應用于支持過程數據訪問、報警、事件、過程歷史數據訪問等功能的COM接口，OPC服務器一方面負責與現場設備的通信，另一方面將獲取的數據通過標準的OPC接口供調用方調用。早期的OPC規范是基于Microsoft COM/DCOM技術制定的，已經得到工業界的廣泛應用，但存在缺少跨平臺通用性、較難與Internet應用程序集成、較難與企業應用程序連接等不足，而OPC XML-DA規范則能很好的解決COM接口的不足，方便實現了工業控制系統與網絡應用的集成。

4）ISA-95標準

ISA-95標準是由美國國家標準局（ANSI）和儀表、系統和自動化學會（ISA）聯合發布，全稱“企業與控制系統集成”標準，它基于四層制造企業層次結構，定義了連接企業和控制層行為的良好集成標準，重點是業務規劃和物流層，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語、信息和操作模型、以及信息數據交換，用于指導和規范企業管理信息系統與控制系統集成。

3 基于OPC XML的物流自動化系統集成

在實踐中，物流自動化系統集成主要解決三個層次的接口問題：機械層、電氣層、信息層。機械層是實現硬件裝備的對接，可通過加裝，如滾筒輸送鏈，搬運機器人、AGV等；電氣層的集成主要是自動化系統的整合，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協調管理多個自動化單元，各單元間是一種松耦合關系，具有很強的靈活性和開放性，能突破區域的限制，實現真正意義上的物流自動化系統集成?；谛畔拥募蛇^程方法如下：

首先，建立物流自動化控制系統對象模型，按照ISA-95標準對系統接口進行規范定義，運用UML進行建模，分析系統的用例圖、交互圖、順序圖等。完成數據結構的設計及建表。其次，分析現場物流自動化設備控制系統的技術特征，依據經常涉及到的掃描槍、射頻讀寫器、移動終端等設備的通訊特點，建立統一的現場通訊技術標準，優化子系統間通訊接口。最后，基于OPC XML的系統集成組件開發技術，開發并封裝業務運行所依賴的對象，將數據接口通過服務發布。開發二級控制系統進行集成測試。

3.1 集成系統平臺架構

本文設計的物流自動化集成系統平臺架構如圖2所示，分為基礎硬件層、通信網絡層、平臺服務層、應用層等四個層次，核心思想是采用SOA（面向服務架構），采用OPC XML標準技術。首先對基礎硬件層的物流自動化與信息技術設備單元進行梳理，抽取單元管控數據接口；通信網絡層解決了平臺服務層與基礎硬件層的通信問題，同時也能滿足硬件單元間的通信要求；平臺服務層統一了對現場硬件層的管控接口及數據訪問，實現了物流自動化系統的橫向集成，同時也作為與上層管理信息系統縱向集成的支撐平臺。

圖2 物流自動化系統集成平臺分層結構

3.2 通訊網絡接口設計

物流自動化系統的顯著特點是與信息技術的結合，如電子標簽、RFID、條碼閱讀器、無線手持等信息系統，因此，現場通訊除了要集成自動化控制單元還要考慮信息采集設備單元。PLC廠商一般均支持成熟的現場通信標準，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等協議，而信息技術處理設備如條碼閱讀器、RFID讀寫器等一般采用RS-232或Intranet通信協議，此外，在物流系統中還有大量基于ARM處理器的嵌入式控制系統，如機器人、電子標簽輔助分揀、信息看板、AGV小車等，這類設備一般均支持Intranet或串口協議，因此，在實踐中，作者建議將現場通信標準統一規劃為工業以太網和串口兩類，包括有線和無線兩種形式。本文研究中采用多串口工控機作為OPC服務器，以工業以太網和串口協議連接了現場設備，通信效果穩定良好。

3.3 原型系統開發

物流自動化系統集成應遵循ISA-95標準，綜合采用OPC、SOA、AJAX、XML等技術開發高性能的接口中間件。所有現場控制系統與物流信息采集系統的數據都將在統一的服務平臺上進行管理，在采用OPC技術構建服務接口后，便可開發組態軟件對所有物流自動化系統進行集中管控，封裝后的OPC接口可與物流管理信息系統進行信息交互，實現管理與控制的集成，也可以通過Web Services技術將數據功能接口發布到互聯網上實現遠程調用。

原型系統采用C++語言開發，運行效果如圖3所示，該系統集成了自動化立體庫、自動分揀機、AGV小車、搬運機器人等設備，主要信息采集設備使用RFID讀寫器，可實現立體庫出入庫——自動分揀——機器人搬運——AGV運送——流通加工等環節的全過程集成。

圖3 物流自動化集成原型系統運行效果

4 結束語

物流自動化系統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的物流自動化系統，各單元既保留獨立的功能又能相互通信、靈活協作、智能調度，使現有裝備最大限度提高物流作業效率。

本文針對物流自動化系統的信息采集與作業流程特點，專門提出物流自動化系統信息治理與集成方案。遵循ISA-95標準規范對物流自動化系統進行建模與集成設計，采用OPC與SOA技術來解決物流自動化系統集成的核心問題，在統一的物流信息管理或智能控制平臺上實現對現場所有物流自動化系統的數據集成，實現了管控一體化平臺，具有很強的應用價值。

[1] 王微.現代信息技術革命與物流產業的發展趨勢[J].物流技術,2013,124(1):3-8.

[2] 甘仲平.自動化物流裝備技術發展現狀與趨勢[J].物流技術與應用,2012,10(10):89-92.

[3] 鄧全亮,鄒益仁.基于OPC 技術的系統集成[J].計算機應用研究,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架構的物流信息系統的相關技術研究與實現[J].北京科技大學學報,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的數字制造系統信息集成研究[J].廣東技術師范學院學報,2009,3(3):4-7.

[10] 李學軍,張明玉.基于SOA的物流信息系統架構研究[J].物流技術,2007,26(3):104-106.