基于OPC通訊的自動倉儲監控軟件設計

張 騰，荊海剛

（浙江交工金筑交通建設有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

傳統的自動倉儲系統通常采用自己的通信協議，而不同的現場設備監控平臺難以實現數據共享，不能有效分析數據，以提供全面的決策支持。應用OPC通信技術可以解決異構網絡之間的互聯問題，為系統中不同類型數據信息提供可靠的共享支持[1]。

OPC（OLE for Office Control）是OLE行業的過程控制標準，由國際組織的OPC基金會管理。它定義了如何使用微軟操作系統在計算機之間進行數據的實時交換，旨在開發一種基于微軟COM、DCOM和ActiveX技術的互操作接口標準。它還提供了更廣泛的自動化控制、系統現場設備和辦公室的互操作能力。

本文以自動倉儲仿真系統為例，開發了基于OPC通信技術的系統監控軟件。為保證監控軟件正常運行，需要建立監控軟件與PLC[2]控制器程序、現場設備的通訊。監控軟件和PLC控制器程序通過OPC通信技術實現互聯，采用C#語言開發程序接口，實現監控軟件控制功能[3]。

1 硬件系統配置

自動倉儲系統的硬件設備包括工控機（IPC）、堆垛機、輸送帶、提升機、移栽機、貨叉、PLC控制柜等設備[4]。工控機用于支持監控軟件的安裝，堆垛機用來存取貨物，貨物運輸采用輸送帶和提升機，移栽機是用來切換貨物運輸線路選擇[5]。PLC控制柜包括堆垛機PLC控制柜（從站）和現場設備PLC控制柜（主站）。堆垛機控制柜根據任務控制堆垛機的動作，主要涉及到橫向激光測距技術和縱向條碼掃描技術，現場設備控制柜用于控制輸送帶、提升機、貨叉等電氣設備的工作。控制系統硬件設備框架如圖1所示。

圖1 控制系統硬件設備架構

2 軟件設計

監控軟件作為自動倉儲系統的核心控制部分，主要完成控制策略的調度、數據處理與計算、信息傳輸等任務。它包括3個部分：數據庫、PLC控制、OPC通信程序接口。數據庫作為中間支持部分，主要用于支持PLC控制部分和系統數據處理的軟件運行，PLC控制用于調度現場設備的運行，實現數據采集、邏輯操作等任務，OPC通信程序接口包括OPC服務器通信配置和計算機OPC服務器程序接口開發。

根據自動存儲系統的要求，將監控軟件的設計概括為設備運行調度模塊、PLC控制模塊、程序接口模塊和數據庫信息處理4個主要支撐結構的設計。監控軟件設計框架如圖2所示。

圖2 監控軟件設計架構

3 OPC程序接口設計

因為程序接口的無縫連接，監控軟件控制模塊可以有序的執行任務。采用SIMATICNET和STEP7軟件搭建OPC服務器平臺[6]，并使用C#開發OPC服務器接口程序，實現工控機與S7-300PLC的通訊[7]，保證監控軟件的設計和調試的順利進行。進而監控軟件可以調度現場設備執行任務，并對各執行設備的工作狀態進行實時監控。

3.1 OPC通訊配置

為建立OPC服務器與PLC之間的通信，必須配置OPC服務器。本文采用無線以太網實現工控機與PLC之間的通信，詳細介紹了OPC服務器配置及其OPC程序接口設計，所需軟件為STEP7 PLC軟件和SIMATICNET軟件，主要硬件設備包括工控機、西門子S7-300PLC、無線AP，配置方法如下。

（1）打開simatic net軟件—配置PC站點—添加OPC服務器—創建以太網（1）通信網絡—將IP地址設置為192.168.1.105→編譯并保存。

（2）打開Step7 PLC軟件，新建PLC控制器項目—配置以太網（1）通信網絡—設置IP地址192.168.1.102—下載到PLC控制器中。

（3）打開simatic net軟件的“站點配置編輯器”—單擊“導入站點”—在xdbs文件夾下找到xdb文件—導入，OPC服務器配置完成。

3.2 OPC接口程序

由于PLC是開放的，任何支持S7-300的設備都可以直接讀取PLC內的數據。通過配置OPC服務器并使用C#開發OPC服務器程序接口，變量結構由3個級別組成，如圖3所示。第一級是OPC服務器類型，服務器類型是opc.simaticNET；第二級是組，包含在服務器內部，將所有相同的變量放入一個組中；第三級是項（item），即一系列變量鏈接到OPC服務器，對應于PLC的I/Q等。

圖3 結構變量

為實現監控軟件與PLC的實時通訊與控制，需要開發OPC服務器接口程序。本文利用C#開發接口程序，主要步驟及程序代碼如下。

（1）聲明變量并列出主要變量

private OpcRcw.Da.IOPCServer ServerObj；

private Object GroupObj=null；

privateint pSvrGroupHandle=0；

private OpcRcw.Da.IOPCSyncIOIOPCSyncObj=null；

（2）創建一個opc服務器并建立到opc服務器的連接。opc服務器由函數public opc server（）和函數public bool connect（）創建，返回值用于顯示連接結果“true”表示連接成功，“false”表示連接失敗。

（3）將group添加到opc服務器中。opc服務器group對象由public bool addgroup（）函數創建，并用返回值顯示結果“false”表示添加的組失敗，“true”表示添加的組成功。

（4）向group對象中添加項，即通過public bool add items（）函數向服務器的group對象中添加多個項。

（5）數據同步讀寫程序由public bool syncwrite（）和public bool syncread（）變量值函數創建。

4 監控軟件設計

監控軟件作為實時監控客戶端，可對自動倉儲系統的工作狀態進行監控，使操作人員能夠以更高的效率對系統進行維護和控制。監控軟件界面如圖4所示。該軟件具有與數據庫、PLC、現場設備通訊切換功能、系統故障清除、系統工作模式切換、設備接口初始化等功能。其中初始化設備接口的功能是確保現場設備的準備工作，如輸送機接口、堆垛機接口、傳送帶接口等，以保證監控軟件在接到任務后正常執行，設備初始化接口程序代碼如下。

privatevoid

tsbInitDevice_Click(objectsender，EventArgs e)

{

if(ds.Tables[0].Rows.Count＞0)

{

AddListSystemEvent；

foreach(DataRowrow in ds.Tables[0].Rows)

{

Stacker stk=new Stacker(this， row)；

stackers.Add(row.ItemArray[0].ToString()， stk)；

frm.Text=string.Format(stackers[row.ItemArray[0].

圖4 監控軟件操作界面

ToString()].deviceId)；this.Controls.Add(stackers

[row.ItemArray[0].ToString()].pic)；

stackers[row.ItemArray[0].ToString()].pic.BringToFront()；

stackers[row.ItemArray[0].ToString()].pic.DoubleClick=newSystem.EventHandler(this.pic_StackerDoubleClick)；

}}

if(ds.Tables[0].Rows.Count＞0)

{

AddListSystemEvent()；

foreach(DataRowrow in ds.Tables[0].Rows)

{

cr=new Convyer(this， row)；

convyers.Add(row.ItemArray[0].ToString()， cr)；

圖5 堆垛機控制流程

frm.Text=string.Format(convyers[row.ItemArray[0].

ToString()].deviceId)；

this.Controls.Add(convyers[row.ItemArray[0].ToString()].

pic)； convyers[row.ItemArray[0].ToString()].pic.BringTo-

Front()； convyers[row.ItemArray[0].ToString()].pic.Dou

bleClick +=newSystem.EventHandler(this.pic_ConvyerDouble-

Click)；

}}}

監控軟件工作時，首先需要連接到數據庫和PLC，并初始化現場設備程序接口在線工作，其次需要使用堆垛機控制模塊來執行下發的任務。利用監控軟件對堆垛機控制模塊進行控制，實現對堆垛機的任務下發。在任務執行過程中，可以從監控軟件的圖像顯示區實時監控系統的運行狀態，若某個控制模塊出現故障，會出現紅色提示，以便快速找到故障發生位置并進行清除。堆垛機控制流程如圖5所示。

5 數據傳輸實時分析

基于OPC通信技術，使用C#語言開發了監控軟件，為驗證系統中數據的實時傳輸效率，對各通信站點之間的數據傳輸響應時間進行了測試與分析。

首先，必須正確配置通信站點的IP地址，其次，通過發送不同的數據包來進行數據傳輸響應時間的采集和分析。選擇監控計算機作為數據包發送站點，分別向管理計算機站點、主站點PLC、從站點堆垛機PLC發送不同類型的數據包。如表1所示，從監控計算機到堆垛機PLC的數據傳輸平均響應時間分別為5 ms和2 ms。結果表明，該系統可以實現站間數據傳輸。從采集到的響應時間數據來看，自動存儲系統在無線網絡通信方式下，數據傳輸響應時間保持在不同通信站點之間15 ms以內，能夠滿足系統通信要求。

表1 無線網絡模式下數據傳輸實時監測

為進行比較分析，對有線以太網通信模式下的數據傳輸進行了測試，數據傳輸響應時間均小于1ms，如表2所示。雖然無線網絡通信的響應時間明顯大于有線通信，但它仍然能夠滿足系統通信的要求，大大提高了系統的靈活性和可擴展性。

表2 有限網絡模式下數據傳輸實時監測

需要注意的是，在自動倉儲系統傳輸距離越來越長的情況下，為保證無線網絡通信和實時傳輸的穩定性，可以采用增加無線中繼的方式，或者將無線AP安裝到更高的位置，同時盡量減少金屬貨架對無線信號的干擾。

6 結束語

本文研究了工控機與PLC控制器之間的通信方式，并開發了接口程序，闡述了監控軟件的功能。OPC通信技術有效地解決了系統內部異構網絡之間的互聯問題。并使用C#開發了系統監控軟件，該軟件已成功應用于自動倉儲仿真系統。實驗表明，異構網絡之間的連接是穩定的，監控軟件實現了對系統工作狀態的實時監控，并能快速定位故障源，提高系統維護效率，為物流倉儲系統發展提供借鑒。