大數(shù)據(jù)環(huán)境下車間級數(shù)字化信息交互系統(tǒng)設(shè)計

王思，胡志敏，尹招磊，鄭少宏

（1.云南白藥集團股份有限公司；2.紅云紅河集團昆明卷煙廠，云南 昆明 650500）

隨著全球制造技術(shù)轉(zhuǎn)型升級，以信息技術(shù)和自動化技術(shù)深度融合為主要特征的新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)到來，大批企業(yè)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化制造技術(shù)應(yīng)用為重點，力圖依靠科技創(chuàng)新，提升企業(yè)自身軟實力，謀求未來發(fā)展的主動權(quán)。

近年來，大量專家學(xué)者對車間數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行了大量研究與實踐。王誠意等基于Wicc 實現(xiàn)車間數(shù)字化管理與控制系統(tǒng)設(shè)計，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率與管理水平；沈文彥通過OPC 技術(shù)整合現(xiàn)場各控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)快速高效的交互功能；喬彬在傳統(tǒng)生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，增加信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)制造管理過程信息在生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中共享與展示；章秋生指出應(yīng)用OPC 技術(shù)可以很方便的建立第三方設(shè)備與DCS 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊；羅鳳等描述了一種智能工廠體系架構(gòu)，并建立智能工廠總體體系框架結(jié)構(gòu)；蔡萌萌等表明在大數(shù)據(jù)時代背景下，數(shù)據(jù)挖掘可以提供高效、實時和準(zhǔn)確的多維數(shù)據(jù)分析、報表統(tǒng)計，為企業(yè)運營分析提供全面支持。但由于國內(nèi)許多制造企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備老舊，生產(chǎn)工序復(fù)雜，以及工人在生產(chǎn)時隨意性操作等原因，其實際生產(chǎn)過程中的可靠性及信息化等還遠(yuǎn)達(dá)不到數(shù)字化生產(chǎn)的需求。

某傳統(tǒng)制造車間在生產(chǎn)與管理上存在如下一些典型問題：（1）車間生產(chǎn)工序較多，其生產(chǎn)線各工位均使用單機設(shè)備，無法實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)匯總、存儲、查詢以及分析；（2）無法全面實現(xiàn)整個作業(yè)區(qū)設(shè)備故障記錄及診斷方法的記錄，多次出現(xiàn)的故障的解決技能、經(jīng)驗的無法傳承；（3）備品備件采購、保管、使用較為分散，無法實時快速匯總、更新庫存信息，實現(xiàn)備品備件最優(yōu)管理；（4）產(chǎn)品、訂單、人員信息未進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，無法精確對人員進(jìn)行有效考評。針對以上存在問題，采用先進(jìn)的自動化、信息化技術(shù)設(shè)計一套適用于該生產(chǎn)車間的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)自動采集、在線監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析，并集班組管理、訂單管理、設(shè)備維護管理和備品備件管理于一體的高效、科學(xué)化管理。從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程、生產(chǎn)計劃以及現(xiàn)場管理全過程的有機結(jié)合起來，使之能夠運用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)分析與管理，推動生產(chǎn)車間向數(shù)字化管理邁進(jìn)。

1 車間數(shù)字化信息交互系統(tǒng)設(shè)計方案

為實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)自動采集及頂層數(shù)據(jù)深度挖掘并反饋指導(dǎo)底層，本設(shè)計以產(chǎn)品生產(chǎn)全周期數(shù)據(jù)為中心，采用C/S 結(jié)構(gòu)和“集中管理、分布監(jiān)測、靈活構(gòu)建”的思想，以一臺計算機作為核心服務(wù)器，工廠內(nèi)部局域網(wǎng)為主要通訊媒介，實現(xiàn)對生產(chǎn)活動管理以及生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)監(jiān)測、采集、存儲、運算、分析，構(gòu)建可靠性強、效率高、共享度高的信息管理模式，如圖1 所示。

圖1 車間數(shù)字化信息交互系統(tǒng)信息管理模式

（1）過程數(shù)據(jù)采集端，各工位控制器將其底層傳感器獨立采集的過程信號處理轉(zhuǎn)換為上位機可識別的數(shù)據(jù)信息，并通企業(yè)局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和數(shù)字化信息管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

（2）數(shù)據(jù)庫服務(wù)端，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)存儲，不同實體信息關(guān)聯(lián)功能，為數(shù)字化信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品追溯查詢、過程數(shù)據(jù)分析、挖掘提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）數(shù)字化系統(tǒng)運用端，數(shù)字化信息管理系統(tǒng)深入挖掘生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)背后隱藏的信息、知識、智慧，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，以更為直觀、高效的方式強化、指導(dǎo)管理者進(jìn)行決策分析。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

為滿足設(shè)計需求，車間級數(shù)字化信息交互系統(tǒng)分為生產(chǎn)監(jiān)視、設(shè)備維護、數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)計劃、員工管理等功能模塊，如圖2 所示。生產(chǎn)監(jiān)視模塊為現(xiàn)場信息看板，其實時展示各工位生產(chǎn)狀況；數(shù)據(jù)分析模塊基于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實現(xiàn)可視化展示，充分挖掘人對可視化信息認(rèn)知優(yōu)勢；生產(chǎn)計劃模塊實現(xiàn)訂單、班次和人員關(guān)聯(lián)管理；設(shè)備維護模塊以構(gòu)建本車間設(shè)備故障診斷知識庫為目的，最終實現(xiàn)人員技能、知識共享與傳承；備件管理模塊實時更新庫存，實現(xiàn)車間備品備件最優(yōu)庫存；用戶管理模塊主要提供系統(tǒng)用戶新增、刪除以及權(quán)限分配功能。

圖2 車間數(shù)字化信息交互系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

圖3 OPC 在控制系統(tǒng)中的位置

3 OPC Server 部署

OPC 是一種連接PLC、DCS、條形碼讀取器等數(shù)據(jù)提供源（OPC 服務(wù)器）和數(shù)據(jù)使用者（OPC 應(yīng)用程序）之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)不同供應(yīng)廠商的設(shè)備和應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)交互。隨控制系統(tǒng)構(gòu)成不同，其作為數(shù)據(jù)提供源的OPC 服務(wù)器既可以是和OPC 應(yīng)用程序在同一臺計算機上運行，也可以是在另外的計算機上獨立運行。如圖3 所示，OPC 接口可通過網(wǎng)絡(luò)把最底層的控制設(shè)備的原始數(shù)據(jù)提供給作為數(shù)據(jù)使用者（OPC 應(yīng)用程序）的HMI/SCADA，批處理等自動化程序，甚至更上層的歷史數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用程序，也適用于應(yīng)用程序和物理設(shè)備的直接連接，所以O(shè)PC 接口廣泛應(yīng)用于具有高度柔軟性系統(tǒng)中。

KEPServerEX 是PTC 公司推出的一款專業(yè)的OPC 服務(wù)器軟件，支持超過250 種通信協(xié)議，幾乎能和所有的第三方數(shù)據(jù)設(shè)備進(jìn)行通信。本文選擇KEPServerEX 作為第三方OPC Server 完成對各工位過程數(shù)據(jù)的讀寫。OPC Server 配置流程如圖4，KEPServerEX 測試結(jié)果如圖5 所示。

圖4 OPC Server 配置流程

圖5 KEPServerEX 測試

4 數(shù)字化信息交互系統(tǒng)實現(xiàn)

本設(shè)計基于Visual Studio 2017 開發(fā)平臺完成，VS2017 具有強大的設(shè)計器，編譯器，調(diào)試器等，不僅整合了對象、關(guān)系型數(shù)據(jù)、XML 的訪問方式，使語言更加簡潔，且其具有豐富的可調(diào)用控件，以及設(shè)計過程中自動提示和重構(gòu)功能，功能強大、方便、實用。

4.1 基于OPC DA Server 的數(shù)據(jù)讀寫過程實現(xiàn)

利用C#開發(fā)OPC 窗體應(yīng)用程序時，實現(xiàn)OPC 自動化接口的OPC 包裝庫是必須的，這個OPC 包裝庫一般會由OPC 服務(wù)器的供應(yīng)商提供，本設(shè)計使用OPC 基金會提供OPCDAAuto.dll（可在www.opcfoundation.org 下載），開發(fā)前需將OPCDAAuto.dll 添加引用到項目中。

在OPC 數(shù)據(jù)存取規(guī)范中, 一個OPC 的數(shù)據(jù)存取服務(wù)器中包括三類對象：服務(wù)器對象(OPC SERVER)、組對象(OPC GROUP)和數(shù)據(jù)對象(OPC Item)。以下為C#訪問OPC SERVER 開發(fā)的部分程序。

（1）創(chuàng)建OPC Server 對象，并連接

OPCServer KepServer;

KepServer.Connect(KepServerEX.V6,”Wangsi-PC”);

（2）創(chuàng)建OPC Group 對象，并添加到OPC Server 中

OPCGroup KepGroup;

KepGroups = KepServer.OPCGroups;

KepGroups.Add(“MyGroup”);

（3）創(chuàng)建OPC OPCItems 對象，并添加到OPC Group 中

OPCItems KepItems;

KepItems = KepGroup.OPCItems;

KepItems.AddItems(this.OPC List.Count,ref strTempIDs, ref strClientHandles, out strServerHandles, out iErrors);

（4）定時異步讀取OPC Server 數(shù)據(jù)

KepGroup.AsyncReadComplete += KepGroup_AsyncReadComplete;

void Kep Group_Async Read Complete(int Transaction ID, int NumItems, ref Array ClientHandles, ref Array ItemValues, ref Array Qualities, ref Array TimeStamps, ref Array Errors)

（5）異步寫入OPC Server 數(shù)據(jù)

Kep Group . Async Write ( NumItems,writeServerHandles, writeArrayHandles, out writeErrors, writeTransID, out writeCancelID);

（6）斷開連接

KepServer.Disconnect()。

4.2 人機交互界面開發(fā)實現(xiàn)

根據(jù)統(tǒng)功能模塊設(shè)計需求完成相應(yīng)windows 窗體設(shè)計開發(fā)如圖6 ～9 所示（部分）。

圖6 系統(tǒng)監(jiān)視主界面

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)報表

圖8 統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析

圖9 系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場

系統(tǒng)監(jiān)視界面中實現(xiàn)各工位實時數(shù)據(jù)、班組信息展示以及重點工藝參數(shù)監(jiān)視；數(shù)據(jù)報表中以訂單號為主鍵，整合班組、產(chǎn)量關(guān)聯(lián)信息；統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析根據(jù)歷史數(shù)據(jù)實現(xiàn)查詢條件內(nèi)數(shù)據(jù)可視化展示。系統(tǒng)開發(fā)完成后，按照實際工藝流程分別對各功能模塊進(jìn)行測試，并核對系統(tǒng)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)保持一致，可將本系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)車間。

5 結(jié)語

本文以開發(fā)和利用數(shù)據(jù)資源為對象，借助互聯(lián)網(wǎng)開放、共享優(yōu)勢，基于C#與OPC DA 技術(shù)開發(fā)車間級數(shù)字化信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)整合、記錄、分析與共享，確保各生產(chǎn)數(shù)據(jù)真實、完整、可追溯，并建立相關(guān)事件處理知識庫，依托系統(tǒng)采集的大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，摒棄以個人主觀經(jīng)驗為向?qū)У氖录\斷方式，由系統(tǒng)提供最優(yōu)解決方案，有助于提高制造車間生產(chǎn)效率和管理水平，其對傳統(tǒng)制造車間向數(shù)字化生產(chǎn)、智慧管理升級具有一定的借鑒作用。