CN114154925A - 基于opc ua的数字孪生仓储研究与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仓储物流技术领域，具体涉及基于OPCUA的数字孪生仓储研究与应用；包括以下步骤：(1)仓储内的各数据采集设备分别采集对应监测设备的数据信息；(2)各监测设备的数据信息通过以太网传输至OPCUA服务器，OPCUA服务器将采集的各监测设备的数据信息装入OPCUA服务器节点，并进行数据编码，然后存入数据库或发送给OPCUA客户端使用；(3)OPCUA客户端向OPCUA服务器提出请求，从OPCUA服务器获取数据，并进行数据解码；本发明合数字孪生技术与OPCUA技术，解决了工业仓储中设备管控难、数据时效性差以及信息***通信难问题。

Description

基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用
技术领域
本发明涉及仓储物流技术领域，具体涉及基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用。
背景技术
随着物联网、大数据和智能制造技术的快速发展，数字孪生走进了人们的视野，并逐渐应用到工业制造中。数字孪生仓储就是利用三维建模技术建立仓储的数字模型，借助工业数据驱动数字模型来模拟真实仓储内设备运行、产品物流、环境变化，将物理仓储实时映射到数字仓储，对仓储进行实时监控、物流优化、设备健康管理。实时映射必须建立在实时数据驱动的基础上，但仓储内自动化设备都来自于不同的生产厂家，采用不同的通信协议和规范，导致了设备与设备间、设备与***间不能进行正常通信，形成了大量“信息孤岛”，使得数据集成的成本大大提高。
OPC UA作为开放的跨平台架构，支持各种复杂的数据类型，具有可靠的数据通信方式和安全机制，适用于不同操作***和多协议设备间的数据通信。
综上所述，国内对于OPC UA技术的研究主要集中在基础功能的开发，针对实际工业的应用尚不成熟，尤其在设备种类繁多、调度情况复杂的仓储环境下，需要进一步的研究。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明的目的在于提供基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，本发明合数字孪生技术与OPCUA技术，解决了工业仓储中设备管控难、数据时效性差以及信息***通信难问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，包括以下步骤：
(1)仓储内的各数据采集设备分别采集对应监测设备的数据信息；
(2)各监测设备的数据信息通过以太网传输至OPC UA服务器，OPC UA服务器将采集的各监测设备的数据信息装入OPC UA服务器节点，并进行数据编码，然后存入数据库或发送给OPC UA客户端使用；
(3)OPC UA客户端向OPC UA服务器提出请求，从OPC UA服务器获取数据，并进行数据解码。
本发明进一步设置为：在步骤(2)中，各监测设备的数据信息在OPC UA服务器内转化为OPC UA格式。
本发明进一步设置为：在步骤(2)中，所述的OPC UA服务器节点为各监测设备在地址空间内的映射，包括各监测设备所有的状态信息。
本发明进一步设置为：所述的地址空间由若干个节点组成，其为各监测设备构建统一的数据模型，利用数据模型管理各节点。
本发明进一步设置为：在步骤(2)中，所述的数据编码是根据设定的规则将数据信息编写成二进制流格式。
本发明进一步设置为：在步骤(2)中，所述的数据库为MySql数据库。
本发明进一步设置为：在步骤(3)中，所述的OPC UA客户端通过获取已注册的OPCUA服务器列表，浏览其地址空间的节点信息获取实时数据，对获取的数据解码，将节点信息发送给数字孪生仓储的信息服务层。
本发明进一步设置为：在步骤(3)中，所述的OPU UA服务器还可以通过读写的方式从OPC UA服务器的地址空间节点读取或写入数据。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明将采集的设备数据作统一编码，存入地址空间建立OPCUA服务器，同时建立MySql数据库表结构，通过OPC UA协议与OPC UA客户端进行通信，使上层信息***获取信息速度更快、更方便、更实时，大大提高了管理员对仓储的监控和管理能力，随着工业自动化水平的不断提升，OPC UA技术将逐步应用到各种工业场景中，本发明为OPC UA技术在仓储物流领域的应用提供了理论和方法参考，具有广泛的应用前景，值得推广。
附图说明
图1为本发明实施例1中数字孪生仓储的构架示意图；
图2为本发明实施例2中数字孪生仓储OPC UA通信架构示意图；
图3为本发明实施例3中数字孪生仓储管理界面示意图；
图4为本发明实施例3中机器人通信流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：数字孪生仓储
数字孪生仓储将物理仓储在数字空间实时映射，真实反映了仓储全生命周期，数字孪生仓储包含物理实体层、孪生模型层、孪生数据层和信息服务层四个部分，其如图1所示。下面将对各层进行说明，如下所述：
物理实体层包含了仓储内设备、传感器、工业机器人等，是实时数据的来源，即各检测设备；
孪生模型层是通过三维建模搭建的虚拟仓储模型，高保真模拟了物理仓储；
孪生数据层用来存储和处理数据，主要包含物理实体层采集和信息服务层反馈的数据；
信息服务层是将上层MES、ERP、PDM等信息***互联互通，完成优化物流方案、设备监控管理、仓储可视化实时监控。
实施例2：基于OPC UA的数字孪生仓储
如图2所示，包括以下步骤：
(1)仓储内的各数据采集设备分别采集对应监测设备的数据信息。
(2)各监测设备的数据信息通过以太网传输至OPC UA服务器，OPC UA服务器将采集的各监测设备的数据信息装入OPC UA服务器节点，并进行数据编码，然后存入数据库或发送给OPC UA客户端使用。
OPC UA服务器节点为各监测设备在地址空间内的映射，包括各监测设备所有的状态信息，可以通过节点管理对节点进行修改、增加、删除等。
地址空间由若干个节点组成，其为各监测设备构建统一的数据模型，利用数据模型管理各节点。
数据编码是根据设定的规则将数据信息编写成二进制流格式，选择二进制编码方式，具有在通信线路上体积小，且传输速度快的效果。
数据库为MySql数据库，在MySql数据库中，数据经过前端采集和解析后存入MySql数据库中，通过分类节点的形式建立表结构，中间表则按设备类型进行分类，数据表中存储值节点中设备的属性值，在此节点层次清晰的表结构中，上层信息***在调用和查询数据时能够快速获取有效信息。
其中，各监测设备的数据信息在OPC UA服务器内转化为OPC UA格式，将采集PLC程序信息、RFID数字信号、传感器脉冲信号统一化管理，为数字孪生仓储的信息服务层提供信息支撑，通过数据分析处理，实现对仓储全面的监控和设备的管理。
(3)OPC UA客户端向OPC UA服务器提出请求，从OPC UA服务器获取数据，并进行数据解码。
其中，OPU UA客户端可以安装在PC端或者移动设备端。
OPC UA客户端通过获取已注册的OPC UA服务器列表，浏览其地址空间的节点信息获取实时数据，对获取的数据解码，将节点信息发送给数字孪生仓储的信息服务层。
OPU UA服务器还可以通过读写的方式从OPC UA服务器的地址空间节点读取或写入数据。
由此，仓储管理员可以在多个OPC UA客户端上获取仓储信息。
实施例3：基于OPC UA的数字孪生仓储的应用
如图3所示，以某云南卷烟厂为例，为其设计并开发了一套基于OPC UA的数字孪生仓储***。将OPC UA和数字孪生技术相结合，可以将物理仓储与数字仓储高度融合，在卷烟厂仓储向智能制造转型的过程中，仓储运作与信息数据的结合是十分重要的内容，将两个不同空间同步运作，也就是实时映射，比传统的方式更实时、更多维、更精准。
(1)数据实时映射主体
物理仓储与数字仓储映射的主要内容分为以下4部分：
1)设备：仓储流水线上的工业机器人、传送带、AGV、堆垛机等设备的运行状态、坐标位置、所执行工作都要进行实时映射，精准到每一台机器。
2)件烟：件烟是流水线工作的核心内容，从件烟入库加工、生产、包装等全部环节都进行实时映射，将生产过程中工艺数据存储于件烟实体标签和虚拟件烟中。
3)环境：结合环境参数的变化，实时模拟仓储内的环境，能够根据环境情况对生产任务进行调控，以及不适宜生产的环境进行预警等。
4)信息***：将流水线上各环节的物流进度、任务完成进度、出入库进度等信息实时映射，将高架库的托盘情况、作业任务进度、设备故障信息等实时可视化展示。
(2)OPC UA与工业机器人的应用
如图4所示，在卷烟厂仓储中，工业机器人得到了广泛应用，仓储流水线基本实现了自动化运作，想要对仓储实时监控，就必须获取这些机器人的实时信息，展示到管理员的管理界面。由于机器人种类繁多，产生的数据类型也不尽相同，为了实现统一化管理，采用了基于OPC UA的数字孪生仓储。其具体过程如下：
将机器人、传感器、RFID读写器、PLC设备等采集到的数据按照OPC UA格式进行统一编码和传输，建立信息模型结构，方便管理前端数据；
同时将这些数据存入MySql数据库，上层信息***可以随时调用，实现对前端设备的监控和数据挖掘；
针对不同设备OPC UA架构回建立起相关的OPC UA服务器，将信息模型装入到OPCUA服务器节点，并通过OPC UA协议与OPC UA客户端进行通信。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)仓储内的各数据采集设备分别采集对应监测设备的数据信息；
(2)各监测设备的数据信息通过以太网传输至OPC UA服务器，OPC UA服务器将采集的各监测设备的数据信息装入OPC UA服务器节点，并进行数据编码，然后存入数据库或发送给OPC UA客户端使用；
(3)OPC UA客户端向OPC UA服务器提出请求，从OPC UA服务器获取数据，并进行数据解码。
2.根据权利要求1所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(2)中，各监测设备的数据信息在OPC UA服务器内转化为OPC UA格式。
3.根据权利要求1所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(2)中，所述的OPC UA服务器节点为各监测设备在地址空间内的映射，包括各监测设备所有的状态信息。
4.根据权利要求3所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，所述的地址空间由若干个节点组成，其为各监测设备构建统一的数据模型，利用数据模型管理各节点。
5.根据权利要求1所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(2)中，所述的数据编码是根据设定的规则将数据信息编写成二进制流格式。
6.根据权利要求1所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(2)中，所述的数据库为MySql数据库。
7.根据权利要求4所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(3)中，所述的OPC UA客户端通过获取已注册的OPC UA服务器列表，浏览其地址空间的节点信息获取实时数据，对获取的数据解码，将节点信息发送给数字孪生仓储的信息服务层。
8.根据权利要求4所述的基于OPC UA的数字孪生仓储研究与应用，其特征在于，在步骤(3)中，所述的OPU UA服务器还可以通过读写的方式从OPC UA服务器的地址空间节点读取或写入数据。
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