基于OPC UA的煙葉成品下線管理系統分析與設計

文 斌，郭 清，章榮燕，李 睿，趙一君

(1.貴州煙葉復烤有限責任公司,貴州 貴陽 550005；2.中國煙草總公司貴州省公司,貴州 貴陽 550004)

0 引言

隨著智能制造的逐步發展，大數據、云計算、物聯網等技術越來越受到業界的關注和使用，工業數據日益反映出“數據即資產”的趨勢。同時，工業物聯網[1]和工業4.0[2]的新范例正在推動經典的自動化金字塔[3]，即使用統一且獨立于供應商的標準來簡化集成和維護。

目前，某煙草企業復烤業務[4]加工環節已經通過中控系統進行實時監控，同時建立生產管理制造執行系統(manufacturing execution system,MES)[5]。但工業客戶[6]產生新需求：在成品下線的標簽上打印下線準確時間及下線成品煙箱實際重量。由于實時數據存儲于中控系統[7]，而成品下線功能由MES實現，所以如何通過MES獲取中控相關數據，以及如何過濾有效數據成為設計關鍵。

1 系統需求分析

某煙草企業復烤業務已有中控系統的對象鏈接與嵌入(object linking and embedding,OLE)的過程控制(OLE for process control,OPC)[8]服務器能夠通過設置支持OPC統一架構(OPC unified architecture,OPC UA)[9]。通過OPC UA客戶端，橋接中控系統與MES，可實現實時數據共享。然而，中控系統中數據繁瑣且駁雜，不能直接滿足MES的需要。

OPC是1個工業標準。不同供應商的設備和應用程序軟件接口如符合OPC標準，可以進行數據交換。OPC UA是新一代OPC標準，提供完整、安全和可靠的跨系統架構，用于獲取實時數據、歷史數據，是一種共享作業區數據到業務系統(從底層到頂層)的方法。OPC UA是對已經使用的OPC工業標準的補充，可提供重要功能，例如平臺獨立性、可伸縮性、高可靠性以及連接到Internet的能力。在不使用微軟分布式組件對象模型(Microsoft distributed component object model,Microsoft DCOM )[10]的情況下將遠程客戶端安全連接到服務器,能夠通過防火墻和虛擬專用網絡(virtual private network,VPN)進行安全連接。

2 系統設計

2.1 中控系統與MES的跨系統橋接

中控系統與MES之間的壁壘需要打通，以實現共享作業區數據到業務系統(從底層到頂層)的功能。嵌入式OPC UA服務器用于將設備、機器和傳感器連接到工業現場。OPC UA客戶端用于讀取現場數據并操作設備，為上層應用程序提供數據和操作功能。OPC UA客戶端在2個復雜的工業系統中進行數據交換，通過IEEE網絡提供可靠的確定性，實現端到端的實時數據傳輸。

中控與MES是2個獨立自治的系統。跨系統交互如圖1所示。

圖1 跨系統交互示意圖

2.2 實時數據的采集

OPC UA客戶端通過訂閱方式向OPC UA服務器發出在線指標的數據獲取請求。實時數據采集流程如圖2所示。

圖2 實時數據采集流程圖

OPC UA服務器的Group組內有在線指標的數據發生變化時，實時自動通過數據變化事件通知客戶端。客戶端對接收數據進行過濾分析，將符合條件的有效數據存放到業務系統。

2.3 實時數據過濾處理

在線稱重時，需要先設置高位閥值、低位閥值、稱重有效范圍、稱重穩定時間這4個參數。當出現任何1個在線指標值變動時，判斷該在線指標是否為稱重指標：“否”就按正常情況定時采集最新一次；“是”則繼續判斷是否是新的稱重過程。判斷上一次采集的重量是否為有效值，穩定時間超過一秒，“是”則將上一次采集的重量暫存為最新有效重量。如果當前采集值降到低位閥值，從暫存區取出該次稱重有效值，保存到MES系統，并結束本次稱重過程。下次采集值出現高位閥值時，開啟稱重過程。如此重復。有效數據保存到服務器內存，可以實現定時取出稱重有效值數組。

3 系統主要模塊實現

3.1 實時稱重數據的特征

根據工業客戶的要求，把需求量化為以下內容：每箱稱重的質量在216.5～216.7 kg有效范圍，且該質量必須穩定1 s以上。

通過對現場實際操作的大量稱重數據的實時采集、歸納、整理可得以下內容特征。

①在線稱重的高位閥值和低位閥值。

多次稱重采集過程為通過15次稱重，采集4 000個采集點。多次稱重采集過程如圖3所示。

圖3 多次稱重采集過程圖

在每個稱重過程中，當稱重值第一次到200 kg后，在取到合格值之前不會降到200 kg。定義200 kg為高位閥值，50 kg為低位閥值。當取到合格稱重值后，稱重值降到50 kg后不會再反彈到合格值，即處于低位閥值后不會反彈至高位閥值。

②稱重有效性。

每一次稱重過程有200多個稱重值，稱重值在216.4～216.7 kg之間，且稱重值在電子秤上確定質量要穩定1 s以上的有效數據。單次稱重采集數據曲線如圖4所示。

圖4 單次稱重采集數據曲線圖

③有效稱重最優確認。

成品稱重過程中，會多次達到216.4～216.7 kg之間，且在某個值持續穩定1 s以上的情形。實時稱重取值如表1所示。

表1 實時稱重取值表

表1中，有4個符合條件的稱重值，則應取其中最后一次的有效值。

3.2 實時標簽打印

OPC UA客戶端取數中按上述3個流程進行處理取值。通過實際運行，該功能滿足實際需求。當出現符合要求的稱重數據，OPC UA即時推送給MES，并立即模擬操作標簽打印功能。這可以減少現場操作員操作標簽打印環節。

手動打印標簽需要員工干預，工作量大且單一。員工必須坐在電腦旁，在煙箱下線時，選擇“標簽”“客戶”“產品編號”，點擊“確定”并打印。實時標簽打印的實現，減少了員工工作量，實現了標簽數據精確化。

4 結論

為滿足在不改動煙草企業復烤業務的中控系統及MES的情況下，獲取實時在線指標數據的需求，本文研究了OPC UA跨系統橋接原理，設計了基于OPC UA的煙葉成品下線管理系統，實現了在線指標數據實時共享、數據過濾、自動打印標簽等功能。

本系統自動定位一個加工批次開始、結束時間。OPC UA客戶端獲取加工批次時間段的水、電、汽等能耗信息，提供生產過程能耗信息的精準統計。本研究的實踐意義在于既能滿足工業客戶的要求，又可實現工控系統與MES的進一步擴展。該研究為復烤業務提供實時、精準、全面的決策支持。所構建的成品下線管理系統對中間件技術的技術落地、分布式方向上的工控系統提供參考。