基于OPC技術(shù)的質(zhì)量信息系統(tǒng)

王 濤，楊 繼 新，王 赤 兵，王 德 權(quán)，王 慧 慧，陶 學(xué) 恒

（1.大連工業(yè)大學(xué) 國家海洋食品工程技術(shù)研究中心 遼寧省海洋食品加工技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116034；2.大連市工業(yè)技術(shù)交流中心，遼寧 大連116011）

0 引 言

生產(chǎn)線自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅猛，制造裝配企業(yè)間競爭日益激烈，制造裝配企業(yè)在提升生產(chǎn)效率和節(jié)約成本的同時(shí)保證產(chǎn)品的質(zhì)量成為當(dāng)前的迫切需求。這就要求對產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析處理，以達(dá)到控制質(zhì)量的目的［1－2］。如今越來越多的企業(yè)開始注重質(zhì)量信息系統(tǒng)，比如MES系統(tǒng)，然而由于制造產(chǎn)品的多樣性以及業(yè)務(wù)需求的不同導(dǎo)致企業(yè)很難選擇一個(gè)合適的MES 系統(tǒng)，而且即使引進(jìn)了也由于缺少后續(xù)的技術(shù)支持和柔性生產(chǎn)而難以實(shí)現(xiàn)其真正的價(jià)值［3］。

本文結(jié)合作者參與的轎車變速箱生產(chǎn)線自身的特點(diǎn)，根據(jù)相應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，從技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)方案和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等方面構(gòu)建出基于客戶機(jī)／服務(wù)器模式下的質(zhì)量信息系統(tǒng)，對實(shí)施過程中的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析并給出具體的解決方案。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

系統(tǒng)主要應(yīng)用OPC 技術(shù)及.NET 技術(shù)、SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)過程控制［4］。OPC是工業(yè)控制和生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中使用的硬件和軟件的接口標(biāo)準(zhǔn)，以便有效地在應(yīng)用和過程控制設(shè)備之間讀寫數(shù)據(jù)，如圖1所示。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)在基于PC 的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法［5－6］。

圖1 OPC接口定義圖Fig.1 Interface definition of OPC

SQL Server 2008 引入了Microsoft Windows的.NET Framework 的公共語言運(yùn)行庫組件的集成?？梢杂萌魏沃С值?NET Framework的語言創(chuàng)建存儲過程、觸發(fā)器、用戶定義的類型、用戶定義的函數(shù)（標(biāo)量值和表值）和用戶定義的聚合函數(shù)［7］。

本質(zhì)量信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)將采用面向?qū)ο蟮能浖w系結(jié)構(gòu)和開發(fā)模式。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)場實(shí)際業(yè)務(wù)需求，利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)線上的設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集后的數(shù)據(jù)存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中?，F(xiàn)場各個(gè)工位采用SIMATIC.NET實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交互，Microsoft SQL Server 2008為后臺數(shù)據(jù)庫并建立了數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)模型，網(wǎng)絡(luò)采用圖2所示的結(jié)構(gòu)排布，各工位設(shè)備和服務(wù)器以交換機(jī)和以太網(wǎng)為平臺進(jìn)行連接，質(zhì)量信息管理系統(tǒng)通過TCP／IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫處理。

3 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

質(zhì)量信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫涵蓋系統(tǒng)信息模塊、PLC通信交互模塊、質(zhì)量數(shù)據(jù)模塊及臨時(shí)表模塊，其中系統(tǒng)信息模塊包括基本機(jī)型、機(jī)型代碼及報(bào)警報(bào)文等信息；PLC通信交互模塊包括與PLC接口定義的變量名稱及變量地址等信息。

由于變速箱生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)量非常大，在數(shù)據(jù)主表與索引表之間建立主外鍵關(guān)系能夠有效地保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖3描述了質(zhì)量數(shù)據(jù)主表和索引表的設(shè)計(jì)及主外鍵關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 System topology

圖3 質(zhì)量數(shù)據(jù)關(guān)系圖Fig.3 Diagram of quality database

4 系統(tǒng)流程及界面設(shè)計(jì)

針對具體變速箱生產(chǎn)線的業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖Fig.4 Flowchart of system

下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)給MES 系統(tǒng)，系統(tǒng)收到工件到位信號給PLC 傳遞機(jī)型信號，PLC 收到信號后控制打號機(jī)打號，上線完成后，托盤攜帶載碼體通過MOBY 系統(tǒng)的無線讀寫技術(shù)完成生產(chǎn)線各工位數(shù)據(jù)的采集與傳遞。在生產(chǎn)過程中監(jiān)控系統(tǒng)能夠捕捉PLC的工件到位、報(bào)警信息等信號，并將信號實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控系統(tǒng)界面（如圖5所示），監(jiān)控系統(tǒng)將生產(chǎn)信息和報(bào)警信息發(fā)到大屏幕系統(tǒng)，LED大屏幕實(shí)時(shí)顯示；監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集存儲，管理者可以通過質(zhì)量信息系統(tǒng)網(wǎng)站對變速箱質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行SPC分析和測量范圍的維護(hù)。

質(zhì)量信息系統(tǒng)SPC 分析主要包括均值極差控制分析圖、均值標(biāo)準(zhǔn)差控制分析圖、基本趨勢圖、工序能力分析圖、直方圖。圖6為關(guān)于變速箱質(zhì)量數(shù)據(jù)中輸出軸測量值的均值極差控制圖。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)圖Fig.5 Diagram of monitoring system

圖6 均值極差控制圖Fig.6 X－Rcontrol chart

系統(tǒng)將采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)分為15組，數(shù)據(jù)指標(biāo)如下所示：UCL 為控制圖的上控制界限；LCL為控制圖的下控制界限；CL 為控制圖特征的基準(zhǔn)值。均值極差控制圖算法如下：

（1）選取子組容量m和子組個(gè)數(shù)p。

（2）均值和極差R。

（3）計(jì)算p個(gè)子組的均值平均值X。

（4）計(jì)算p個(gè)子組的極差平均值R。

（5）計(jì)算控制分析圖的上、下控制界限。

（6）計(jì)算R控制分析圖的上、下控制限。

式中：A2，D3，D4是由樣本大小確定的系數(shù)。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

系統(tǒng)運(yùn)用OPC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，并通過大屏幕模塊實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)量、物料信息以及各工位生產(chǎn)節(jié)拍等重要信息，能夠準(zhǔn)確采集現(xiàn)場的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，并對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

［1］劉曉陽.基于模板結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)定制發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線監(jiān)控系統(tǒng)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008（1）：76－78.

［2］陳如，王德權(quán)，楊繼新.發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線質(zhì)量信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀表，2012（9）：52－55.

［3］LEE S W，NAM S J，LEE J K.Real－time data acquisition system and HMI for MES［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（8）：2381－2383.

［4］梁奎，郭順生.基于SPC 的ERP 質(zhì)量管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011（3）：10－11.

［5］石靈丹，華斌，朱歆州，等.基于OPC技術(shù)的PC與西門子PLC的實(shí)時(shí)通訊［J］.船電技術(shù)，2011，31（1）：9－12.

［6］路小俊，冬大龍，宋斌，等.基于OPC 技術(shù)的風(fēng)電廠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（23）：90－92.

［7］王德權(quán)，黃成海.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線MES中的訂單管理系統(tǒng)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，3（2）：127－129.