數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能管理研究*

鄒 旺，李少波

(貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025 )

0 引言

數(shù)字化車間的建立是“工業(yè)4.0”發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1]，對車間信息實(shí)時(shí)采集、集成、智能管控且實(shí)現(xiàn)企業(yè)上層管理與生產(chǎn)過程之間的交互是建立數(shù)字化車間的一個(gè)重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[2]對車間制造過程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)狀態(tài)信息的采集。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)一套異構(gòu)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車間不同檔次和型號的數(shù)控機(jī)床信息化管理。文獻(xiàn)[4]提出基于制造物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)過程關(guān)鍵事件主動感知技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化統(tǒng)一表達(dá)，并構(gòu)建了大數(shù)據(jù)運(yùn)用規(guī)劃。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系架構(gòu)，為物聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域提供重要借鑒價(jià)值。文獻(xiàn)[6]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確的生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度等。文獻(xiàn)[7]提出一種基于MES的車間動態(tài)質(zhì)量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量計(jì)劃、實(shí)施、檢測、處理四個(gè)階段動態(tài)循環(huán)執(zhí)行。文獻(xiàn)[8]針對多品種小批量生產(chǎn)車間監(jiān)控可視性低、生產(chǎn)進(jìn)度信息實(shí)時(shí)性差等問題，建立了一種能動態(tài)反映車間生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行情況三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。

某航天制造企業(yè)具有產(chǎn)品生產(chǎn)專業(yè)化水平高、工藝流程復(fù)雜，多樣化、少批量等特點(diǎn)，目前，企業(yè)的生產(chǎn)車間制造過程管控存在著一些問題，一方面制造數(shù)據(jù)采集技術(shù)落后，導(dǎo)致制造數(shù)據(jù)采集不實(shí)時(shí)、不全面，容易造成監(jiān)控時(shí)間滯后、監(jiān)控對象不全等問題；另一方面對制造數(shù)據(jù)的分析、可視化應(yīng)用較少，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確、及時(shí)的為生產(chǎn)過程提供決策支持。

針對這些問題，本文在研究利用傳感器技術(shù)、自動識別技術(shù)、加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)面向數(shù)字化車間的現(xiàn)場制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)據(jù)的全面實(shí)時(shí)采集與管理，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對采集到的制造數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析與可視化應(yīng)用，研究開發(fā)一套制造過程數(shù)據(jù)采集與智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對該企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場制造資源的識別、跟蹤、管控等，從而達(dá)到提高企業(yè)生產(chǎn)過程管控水平、提升生產(chǎn)能力、提高質(zhì)量的目標(biāo)。

1 制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)需求

根據(jù)對該航天制造企業(yè)的實(shí)地調(diào)研情況，系統(tǒng)需要對制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)與企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(Enterprise Resource Planning，ERP)實(shí)現(xiàn)集成共享，為企業(yè)上層管理系統(tǒng)提供全面的、實(shí)時(shí)底層數(shù)據(jù)。當(dāng)前，企業(yè)對系統(tǒng)需求歸納以下幾個(gè)方面:

(1)車間生產(chǎn)管理；掌握車間生產(chǎn)過程狀況，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)任務(wù)，有利于準(zhǔn)確把握生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)度。

(2)物料/在制品管理；車間各工位制造數(shù)據(jù)采集，掌握當(dāng)前制造工藝流程，有利于后續(xù)生產(chǎn)過程任務(wù)安排，對產(chǎn)品質(zhì)量問題進(jìn)行追溯。

(3)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理；對生產(chǎn)設(shè)備的信息采集，信息包括設(shè)備狀態(tài)、當(dāng)前加工零件、程序號、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等。實(shí)時(shí)對這些動態(tài)數(shù)據(jù)存儲、監(jiān)控和分析，讓生產(chǎn)調(diào)度更加可靠，設(shè)備故障能夠及時(shí)處理。

(4)產(chǎn)品質(zhì)量管理；對半成品信息的采集，跟蹤半成品質(zhì)量，避免漏檢、檢驗(yàn)不及時(shí)等情況，保證產(chǎn)品生產(chǎn)周期質(zhì)量。

(5)報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析；通過對數(shù)據(jù)的采集—存儲—處理—應(yīng)用，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，并進(jìn)行可視化圖形報(bào)表顯示，如可查看機(jī)床運(yùn)行效率、報(bào)警信息等報(bào)表圖，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)生產(chǎn)過程的管控。

2 車間制造過程數(shù)據(jù)分析

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間實(shí)際情況，車間數(shù)據(jù)類型較多，不同的類型數(shù)據(jù)采集方式不同，因此對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、分類有利于對數(shù)據(jù)采集與管理。車間制造數(shù)據(jù)可分為三類：靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)。①靜態(tài)數(shù)據(jù)：靜態(tài)數(shù)據(jù)在通常情況下是不會改變的，如：人員信息、設(shè)備編號信息、物料信息 、產(chǎn)品名稱信息等。②動態(tài)數(shù)據(jù)：動態(tài)數(shù)據(jù)是隨著制造過程改變的，它是需要及時(shí)采集的數(shù)據(jù)。如：計(jì)劃進(jìn)度信息、加工狀態(tài)、加工時(shí)間等。③中間數(shù)據(jù)：中間數(shù)據(jù)是對靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)處理過后的信息，為后續(xù)制造數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)。

3 制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在上述對企業(yè)車間制造過程數(shù)據(jù)類型分析與分類的基礎(chǔ)上，構(gòu)建制造過程數(shù)據(jù)采集技術(shù)架構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由車間層、數(shù)據(jù)處理層、管理服務(wù)層構(gòu)成，如圖1所示。①車間層：該層主要實(shí)現(xiàn)制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳輸。數(shù)據(jù)采集的方式主要有RFID設(shè)備、傳感設(shè)備、加工設(shè)備等。②數(shù)據(jù)處理層：該層主要實(shí)現(xiàn)對制造數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與集成，數(shù)據(jù)整合是對車間制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運(yùn)算、統(tǒng)一建模、標(biāo)準(zhǔn)化封裝。數(shù)據(jù)集成主要是針對數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和用途儲存，實(shí)現(xiàn)能與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成和共享。③管理服務(wù)層：針對生產(chǎn)過程監(jiān)控的需求，數(shù)據(jù)層會調(diào)用數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析，為生產(chǎn)決策提供決策支持。

圖1 制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理技術(shù)架構(gòu)

3.2 車間異構(gòu)數(shù)據(jù)采集方案硬件設(shè)計(jì)

為解決該企業(yè)車間層制造過程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集問題，結(jié)合上述對生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)類型的分析，分別采用自動識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等采集方式對生產(chǎn)車

間制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過工業(yè)以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫。如圖2所示制造過程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集。

圖2 制造過程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集

3.2.1 自動識別技術(shù)

自動識別技術(shù)包括RFID技術(shù)、條形碼技術(shù)等，RFID和條形碼技術(shù)[9]兩者相結(jié)合將生產(chǎn)計(jì)劃所涉及到的信息進(jìn)行標(biāo)識，主要采集物料及物料狀態(tài)信息、人員信息、設(shè)備信息、零件加工信息、質(zhì)量信息等。

3.2.2 傳感器技術(shù)

企業(yè)生產(chǎn)車間的制造過程環(huán)境會對產(chǎn)品的質(zhì)量、一致性造成影響，傳感器網(wǎng)絡(luò)通過車間工業(yè)以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)服務(wù)器相連，將制造過程環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控車間制造過程環(huán)境因素，有利于及時(shí)解決由環(huán)境變量引起的問題。它主要采集制造過程的溫度、濕度、電磁等信息。

3.2.3 加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

根據(jù)該企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)車間情況，加工設(shè)備可分為兩類：數(shù)控機(jī)床、其他設(shè)備(如測試設(shè)備、熱處理設(shè)備)，對于數(shù)控機(jī)床而言，目前數(shù)控機(jī)床傳輸接口分為三類，分別為無通訊接口、串行口、網(wǎng)口；對無通訊接口的數(shù)控機(jī)床運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，采用數(shù)據(jù)采集器(型號為IOLOGIK E1210)與機(jī)床PLC模塊相連接，通過數(shù)據(jù)采集器采集PLC信號實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)據(jù)采集。對于串口機(jī)床數(shù)據(jù)采集，通過采集加工程序的宏指令來采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。對于網(wǎng)口機(jī)床數(shù)據(jù)采集，通過DNC[10]網(wǎng)卡接口進(jìn)行采集。對于其他設(shè)備而言，如圖3所示，具有RS-232/RJ45接口的設(shè)備可直接通過不同型號的采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，沒有RS-232/RJ45接口的設(shè)備，需對設(shè)備進(jìn)行改造，在通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

圖3 其他設(shè)備數(shù)據(jù)采集

3.3 系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主流上分為兩種，分別是C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)，在系統(tǒng)軟件的開發(fā)中他們占有不同的優(yōu)勢，考慮到開發(fā)和維護(hù)成本等方面的因素[11]，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用B/S架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性、運(yùn)行效率有著很大的影響。根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間需求，結(jié)合制造過程實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件功能模塊，如圖4所示。本系統(tǒng)按功能上劃分為5個(gè)部分，分別是系統(tǒng)配置、管理、視圖、統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量監(jiān)控。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊

(1)系統(tǒng)配置。系統(tǒng)配置主要包含兩個(gè)模塊：設(shè)備配置和設(shè)備管理，其中設(shè)備配置：當(dāng)生產(chǎn)車間增加了一臺新設(shè)備時(shí)，需要向系統(tǒng)中增加該設(shè)備，將設(shè)備的類型、名稱、廠家等信息需要錄入到系統(tǒng)中，當(dāng)車間設(shè)備減少時(shí)，系統(tǒng)中該設(shè)備的信息需要被清除。設(shè)備管理：設(shè)置每臺機(jī)床的IP地址、通訊端口等。

(2)管理。管理主要包括制造資源管理、生產(chǎn)計(jì)劃，其中制造資源管理：主要負(fù)責(zé)對制造資源的狀態(tài)信息進(jìn)行查詢，生產(chǎn)計(jì)劃：主要負(fù)責(zé)對生產(chǎn)計(jì)劃的跟蹤和查詢。

(3)視圖。視圖模塊主要包括：電子看板、零件加工顯示；電子看板：能夠顯示不同編號機(jī)床的實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括關(guān)機(jī)、開機(jī)、空閑等信息。零件加工顯示：顯示當(dāng)前零件名稱、序號、數(shù)量、程序名稱等信息。

(4)報(bào)表統(tǒng)計(jì)。報(bào)表統(tǒng)計(jì)模塊主要包括統(tǒng)計(jì)圖表、效能對比；統(tǒng)計(jì)圖表：對制造過程信息匯總分析生產(chǎn)分析報(bào)告，可以顯示機(jī)床運(yùn)行效率、利用率。效能對比：對比不同日期、不同班次機(jī)床的效能圖。

(5)質(zhì)量監(jiān)控。質(zhì)量監(jiān)控模塊包括產(chǎn)品質(zhì)量檢測和故障報(bào)警；質(zhì)量檢測：實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在線檢測，可以查詢產(chǎn)品合格率、完成率等信息。故障報(bào)警：可以實(shí)時(shí)顯示近期報(bào)警機(jī)床的名稱、報(bào)警次數(shù)等信息，并可以查詢報(bào)警信息圖，實(shí)時(shí)掌握機(jī)床的運(yùn)行狀況。

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要基礎(chǔ)，它的合理設(shè)計(jì)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、滿足需求(存儲要求和處理要求)的保證。目前計(jì)算機(jī)主流操作系統(tǒng)是Windows，SOL Server是基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，考慮到數(shù)據(jù)庫能夠支持操作系統(tǒng)平臺和不同的硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用SOL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫要能適應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)要求，通過對數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理、分析，確定了數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖。如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用

如圖6所示系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)主界面是整個(gè)管理系統(tǒng)的展示區(qū)域，用戶可以點(diǎn)擊主界面操作工具條查詢需要查詢的信息，例如配置按鍵下包括設(shè)備設(shè)置、報(bào)警管理采集、關(guān)系設(shè)置等操作。

圖6 系統(tǒng)主界面

電子看板界面如圖7所示顯示了加工組機(jī)床列表，表內(nèi)顯示了機(jī)床的位置、型號、編號、IP地址等信息。用戶可以查詢不同時(shí)間段機(jī)床運(yùn)行效率、開機(jī)率、效能統(tǒng)計(jì)分析圖表，用戶還可以對報(bào)警信息進(jìn)行查詢，數(shù)據(jù)表顯示報(bào)警機(jī)床編號、報(bào)警次數(shù)、時(shí)間等信息。在車間沒有實(shí)施該系統(tǒng)之前，統(tǒng)計(jì)機(jī)床的加工信息都是由操作人員每天人工統(tǒng)計(jì)后交給生產(chǎn)管理部進(jìn)行周統(tǒng)計(jì)，通過這樣的方式來計(jì)算機(jī)床運(yùn)行效率，在系統(tǒng)實(shí)施之后，通過系統(tǒng)自動的對機(jī)床運(yùn)行效率統(tǒng)計(jì)分析并生成分析圖表，不僅節(jié)約了大量的人力，而且更加實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面地管控機(jī)床加工過程。

圖7 設(shè)備狀態(tài)查詢

圖8所示為生產(chǎn)計(jì)劃模塊，該模塊能夠與ERP系統(tǒng)集成，當(dāng)制造車間生產(chǎn)部門接受生產(chǎn)訂單之后，便在系統(tǒng)中制定生產(chǎn)計(jì)劃，用戶通過該界面可以對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行查詢和跟蹤，實(shí)時(shí)掌握任務(wù)進(jìn)度、任務(wù)狀態(tài)、未完成的任務(wù)。

圖8 生產(chǎn)計(jì)劃查詢

6 總結(jié)

本文針對某企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場管控問題，構(gòu)建了制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)架構(gòu)，并提出車間制造過程異構(gòu)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)方法，該技術(shù)架構(gòu)為車間管控提供了一種新模式。

本文研發(fā)的一套數(shù)字化車間制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)已在某航天制企業(yè)生產(chǎn)車間得到運(yùn)行，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了車間的制造過程的實(shí)時(shí)管控，使得生產(chǎn)排產(chǎn)更加有效、方便，節(jié)約了大量生產(chǎn)訂單工時(shí)。企業(yè)管理人員可通過系統(tǒng)web端，查詢生產(chǎn)車間制造過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析圖表，為生產(chǎn)過程提供決策分析，同時(shí)對生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)管控，從而提升企業(yè)生產(chǎn)車間管控水平，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

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