可配置生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究*

楊悅欣 任工昌

(陜西科技大學，陜西 西安710021)

以往的生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)都是定制開發(fā)的，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間設備的實際布局來開發(fā)的，一旦企業(yè)的生產(chǎn)流程或者是制造工藝發(fā)生變化，需要從上到下來對原有的系統(tǒng)進行改動，這必將耗費大量的財力、人力和物力，導致企業(yè)對于采用生產(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)的積極性不高。因此開發(fā)一款可以根據(jù)制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)流程或是制造工藝的變動而隨時變動的可配置的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義?？膳渲玫谋O(jiān)控系統(tǒng)可以針對不同企業(yè)的生產(chǎn)實際來快速部署，降低企業(yè)的信息化成本，提高企業(yè)生產(chǎn)管理的信息化水平[1-5]。

根據(jù)企業(yè)的實際需求，生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)可配置性主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)生產(chǎn)線模型的可配置性。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)流程的變化可以動態(tài)地增加或者減少工位，生產(chǎn)線的模型在配置后可以根據(jù)配置后的情況展現(xiàn)到監(jiān)控界面中。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)中所采集的數(shù)據(jù)的可配置性。生產(chǎn)線上所要采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)由于設備更換或者是應用需求增加會發(fā)生變動，可以在該系統(tǒng)中動態(tài)地編輯要采集的數(shù)據(jù)[6-8]。

1 生產(chǎn)車間情況概述

該企業(yè)的生產(chǎn)車間根據(jù)生產(chǎn)的工藝和流程劃分為5個生產(chǎn)島區(qū)：泵輪島區(qū)、渦輪島區(qū)、導輪島區(qū)、罩輪島區(qū)和總裝島區(qū)。每個島區(qū)包含若干個工位，工位之間有著先后順序，存在有一個工位有兩個前導工位的情況，所有工位中又分為自動、半自動和人工3種類型，自動工位不需要有人值守，設備自動運行；半自動工位有設備還需要有人值守；人工工位沒有設備，有人值守。同時還存在一個工位有多臺同類型設備的情況。

2 配置流程

根據(jù)可配置監(jiān)控系統(tǒng)的可配置性的兩個方面的需求，該系統(tǒng)配置模塊的功能包括以下4個部分：

(1)島區(qū)及工位配置中主要實現(xiàn)按照生產(chǎn)線的實際布局來配置島區(qū)中的各個工位的順序，特別是要配置工位的前后邏輯關系，另外配置工位的基本信息比如工位號、工位名稱、工位類型(自動、半自動及人工)。

(2)設備配置中要將自動及半自動工位與該工位所使用的設備關聯(lián)。

(3)班組配置中要將半自動及人工工位與該工位所對應的班組關聯(lián)。

(4)工位與OPC Item關聯(lián)配置中要實現(xiàn)工位與對應的OPC Item項的關聯(lián)。

可配置監(jiān)控系統(tǒng)的整體配置流程如圖1所示。

該系統(tǒng)的配置流程具體描述如下：

首先配置島區(qū)配置Excel文件。為了方便用戶配置各島區(qū)所含的工位及工位的先后位置關系，設計了島區(qū)配置模板文件，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)車間中各島區(qū)的工位實際情況編輯配置Excel文件。

導入配置好的島區(qū)配置Excel文件。在導入完成后判斷配置信息是否正確，如果不正確重新編輯導區(qū)配置Excel文件，如果正確則進入生產(chǎn)線配置主界面，導入成功后生成各島區(qū)的配置XML文件。

在主窗口中選擇某個島區(qū)，進入該島區(qū)的配置窗口。島區(qū)配置窗口會根據(jù)該島區(qū)的配置XML文件動態(tài)生成該島區(qū)的配置界面(包含該島區(qū)中的所有工位以及工位之間的前后位置關系)。

配置該島區(qū)中的某個工位。根據(jù)工位的不同類型(自動、半自動、人工)來分別配置工位所關聯(lián)的設備以及數(shù)據(jù)采集點。

循環(huán)配置完所有島區(qū)下所有工位。

其中在配置島區(qū)的工位信息時，詳細的配置流程如圖2所示。

在進行某個工位的配置過程中，首先配置該工位關聯(lián)的所有數(shù)據(jù)采集點(一個數(shù)據(jù)采集點對應于一個OPC Item。比如某臺設備的當前狀態(tài)、當前電壓、當前電流等)；然后判斷該工位的類型，如果是自動工位則需要配置該工位所關聯(lián)的設備信息(有一個工位存在多臺設備的情況)，如果是人工工位則需要配置該工位所關聯(lián)的班組信息(與人員組織結構樹上的某個班組節(jié)點關聯(lián))，如果是半自動工位則同時需要配置該工位所關聯(lián)的設備信息及班組信息，最后完成該工位的配置。

3 配置數(shù)據(jù)設計

3.1 島區(qū)配置模板文件

前面描述為了方便企業(yè)用戶根據(jù)生產(chǎn)流程和工藝來快速地配置生產(chǎn)車間的島區(qū)及所含工位情況，設計了島區(qū)配置信息模板。該模板是一個excel文件，企業(yè)用戶可以很方便地將工位的基本信息填寫到該文件中。該模板如圖3所示。

在該模板中需要分別把各個島區(qū)中所包含的所有工位的信息填入到模板的指定列中(包括工位的編號、前導工位編號、后續(xù)工位編號、工位名稱以及工位的類型)。編輯完后可以導入系統(tǒng)，生成各島區(qū)配置XML文件。

3.2 島區(qū)配置XML文件

根據(jù)該企業(yè)生產(chǎn)車間的實際為每個島區(qū)設計了配置文件(采用XML文件)。以圖4所示的泵輪島區(qū)配置文件為例。在泵輪島區(qū)配置文件中，1號工位為泵輪島區(qū)初始工位，所以該工位前導工位號為空；后續(xù)工位為2號工位；工位名稱為“外環(huán)沖窩”；工位類型為1，表示該工位為自動類型工位(半自動工位則工位類型值為2，人工工位則工位類型值為3)。

3.3 OPC Item項與工位關聯(lián)信息表

各個生產(chǎn)島區(qū)由若干個工位構成，每個工位下面又包含了若干的數(shù)據(jù)采集點。以半自動工位為例，該類型的工位包含以下的數(shù)據(jù)采集點：設備運行狀態(tài)、設備開關機狀態(tài)、設備溫度超限報警、設備壓力超限報警、設備故障報警、實際加工數(shù)量、人員編號等[9]。為了將數(shù)據(jù)采集點與對應的工位關聯(lián)起來，需要建立一個OPC Item與工位關聯(lián)信息表，該表結構如表1所示。

4 系統(tǒng)的詳細設計

4.1 系統(tǒng)的整體架構設計

系統(tǒng)的整體框架如圖5所示。生產(chǎn)車間設備上的傳感器的實時數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)線上的物料、人員等信息通過PLC、DCS、HMI進行信息的匯總[8]。每個信息點最終被設定為一個OPC Item項，這些信息點的實時數(shù)據(jù)通過標準的OPC DA協(xié)議上傳到OPC Server中。OPC數(shù)據(jù)處理程序通過標準的OPC訪問協(xié)議將所有變化的OPC Item項的值更新到關系數(shù)據(jù)庫中的OPC Item與工位關聯(lián)信息表中。業(yè)務邏輯處理程序每隔一定的時間(10 s)讀取關系數(shù)據(jù)庫中OPC Item與工位關聯(lián)信息表中的數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)故障信息(設備溫度超限報警、設備壓力超限報警、設備故障報警燈)會實時的顯示到對應的工位中，同時用戶也可以實時的查看該工位所包含的所有的數(shù)據(jù)采集點最近一次的值。

表1 OPC Item與工位關聯(lián)信息表結構

序號屬性名數(shù)據(jù)類型長度描述1IDchar50主鍵2item＿namevarchar50OPCItem名稱3datatypevarchar20數(shù)據(jù)類型4descriptionvarchar1000OPCItem描述5station＿numint所屬工位號6current＿valuevarchar100當前值7history＿valuevarchar100歷史值8last＿update＿timedatetime最后一次更新時間9memovarchar1000備注

4.2 業(yè)務邏輯處理程序

業(yè)務邏輯處理程序的作用是讀取關系數(shù)據(jù)庫的OPC Item與工位關聯(lián)信息表中的OPC Item項(數(shù)據(jù)采集點)的當前值，向可配置生產(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面提供以下方法：

(1)根據(jù)島區(qū)名稱返回該島區(qū)狀態(tài)的方法。該方法遍歷屬于該島區(qū)的所有OPC Item，如果出現(xiàn)報警信息則返回邏輯假值。

(2)根據(jù)工位編號返回該工位狀態(tài)的方法。該方法遍歷屬于該工位的所有OPC Item,如果出現(xiàn)報警信息則返回邏輯假值。

(3)根據(jù)工位編號返回工位所包含的所有OPC Item的信息(名稱、描述、當前值等)。

4.3 OPC數(shù)據(jù)處理程序

OPC數(shù)據(jù)處理程序是介于關系數(shù)據(jù)庫和OPC服務器之間的一個橋梁，根據(jù)關系數(shù)據(jù)庫中的OPC Item與工位關聯(lián)信息表中所存儲的OPC Item項，通過標準的OPC訪問協(xié)議去訪問OPC服務器。當OPC Item與工位關聯(lián)信息表中的某個OPC Item項的值發(fā)生改變時，更新OPC Item與工位關聯(lián)信息表中對應OPC Item項的當前值、歷史值以及最近一次更新時間。

該處理程序?qū)⑸a(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面與OPC服務器隔離開來，避免由于網(wǎng)絡的不通暢或者是OPC服務器的故障引起生產(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面的延遲響應問題[10-14]。

4.4 系統(tǒng)的運行實例

該生產(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖6所示。該界面顯示該車間所包含的5個生產(chǎn)導區(qū)，如果某個生產(chǎn)島區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了報警信息則該生產(chǎn)島區(qū)的對應按鈕顯示為紅色，正產(chǎn)情況下為綠色。點擊某個生產(chǎn)島區(qū)可進入該島區(qū)的監(jiān)控界面。某個島區(qū)的監(jiān)控界面會根據(jù)該島區(qū)的工位配置XML文件動態(tài)生成該島區(qū)的工位顯示窗口。

圖7為導輪生產(chǎn)島區(qū)的監(jiān)控界面。該島區(qū)包含5個工位，在界面上會顯示該每個工位的實時狀況，當某個工位的圖標背景顯示為綠色時表示該工位的生產(chǎn)狀態(tài)正常，當某個工位出現(xiàn)報警信息(設備溫度超限報警、設備壓力超限報警或者是設備故障報警)時該工位對應的圖標背景變?yōu)榧t色。

點擊某個工位的圖標彈出工位詳情顯示界面。該界面中會顯示該工位的編號、名稱、工位類型、所屬的生產(chǎn)島區(qū)名稱,同時會顯示該工位關聯(lián)的OPC Item項的信息表格和該工位關聯(lián)的設備信息表格。半自動類型工位詳情顯示界面中還會顯示關聯(lián)的人員組織結構信息，人工類型工位詳情顯示界面中也會顯示關聯(lián)的人員組織結構信息但沒有關聯(lián)的設備信息。

5 總結及展望

針對某液力變矩器企業(yè)生產(chǎn)車間所開發(fā)的可配置的生產(chǎn)車間實時監(jiān)控系統(tǒng)解決了以往車間實時監(jiān)控系統(tǒng)定制開發(fā)，適應性不強的問題?？梢酝ㄟ^編輯生產(chǎn)島區(qū)配置文件并導入系統(tǒng)，來讓實時監(jiān)控系統(tǒng)適應企業(yè)生產(chǎn)工藝流程或者是生產(chǎn)流程發(fā)生改變的實際情況，同時通過對于工位的詳細配置(包括工位所關聯(lián)的數(shù)據(jù)采集點以及工位所關聯(lián)的設備信息、人員組織結構信息)來適應生產(chǎn)車間工位所包含的數(shù)據(jù)采集點、設備或人員發(fā)生變化的情況。該系統(tǒng)具有較強的柔性及適應性，可以提高該企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控的信息化水平，同時可以有效地降低企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控信息化的成本。

目前的系統(tǒng)展示較為簡單，將來可以建立工位的生產(chǎn)動畫或者是通過實時現(xiàn)場視頻的連接來構建可視化動態(tài)信息處理模塊。同時考慮將生產(chǎn)調(diào)度、物料配送、質(zhì)量控制、設備與工具等也采用可配置的方式來進行管理。采用相關算法對于系統(tǒng)的完備性的驗證也是本文的研究目標。

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