基于現(xiàn)場總線的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)檢測與信息化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

韓鵬 李新恒 劉軍 張景亮 陳祎

[摘 ? ?要]隨著智能制造和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)的出臺(tái)，我國制造業(yè)發(fā)展面臨更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。企業(yè)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中需要針對、運(yùn)輸、制造、檢測、庫存和銷售環(huán)節(jié)建立相應(yīng)的信息化系統(tǒng)。針對不同企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)、工藝需求等要素，信息化系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域和設(shè)計(jì)方案有所不同。本文分析了一般自動(dòng)化行業(yè)的信息系統(tǒng)需求，并提出了一種信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

[關(guān)鍵詞]智能制造;信息化;信息系統(tǒng);生產(chǎn)工藝

[中圖分類號(hào)]TP274.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–03

[Abstract]With the introduction of intelligent manufacturing and the long-term goal of 2015， the development of China's manufacturing industry is facing greater challenges. In the production process， enterprises need to establish the corresponding information system for deduction， transportation， manufacturing， testing， inventory and sales. According to the production characteristics and process requirements of different enterprises， the information system involves different fields and design schemes. This paper analyzes the information system requirements of general automation industry， and puts forward an information system implementation scheme.

[Keywords]intelligent manufacturing; informatization; information system; production process

1 檢測與信息化系統(tǒng)（L2）功能

在智能制造的浪潮下，企業(yè)對生產(chǎn)線信息化提出了更高的要求，一般來說，生產(chǎn)線信息化需要具有以下功能模塊：①數(shù)據(jù)通信模塊。面向L3（企業(yè)ERP）和L1（生產(chǎn)線信息化）層級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。②信息采集模塊。針對生產(chǎn)線和工件流轉(zhuǎn)信息，提供相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)視（CM）數(shù)據(jù)的收集和工件生產(chǎn)線流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集。③數(shù)據(jù)庫功能模塊。對L3級(jí)別和L1級(jí)別獲取的數(shù)據(jù)，利用合適量級(jí)和成本的數(shù)據(jù)庫軟件，提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、修改與刪除功能，其中數(shù)據(jù)涉及生產(chǎn)設(shè)備自身狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警、工件流轉(zhuǎn)、物流倉儲(chǔ)和訂單數(shù)據(jù)等。④信息處理模塊。信息采集模塊收集的信息提供合理的數(shù)據(jù)處理算法，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)、時(shí)域、頻域和時(shí)頻域分析，為采購、生產(chǎn)訂單安排、數(shù)據(jù)故障預(yù)警提供一定數(shù)據(jù)支持。⑤現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)展示模塊。根據(jù)生產(chǎn)工序展示各個(gè)OP工位生產(chǎn)相關(guān)信息，如工藝菜單數(shù)據(jù)、加工進(jìn)展、合格率等。⑥人機(jī)交互模塊。針對不同使用人員提供分級(jí)權(quán)限設(shè)定、登陸密碼確認(rèn)、考勤統(tǒng)計(jì)等功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 數(shù)據(jù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)服務(wù)器是整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心，根據(jù)生產(chǎn)線規(guī)模的不同，服務(wù)區(qū)的架設(shè)位置和數(shù)目也不同。針對大型生產(chǎn)系統(tǒng)，含有多個(gè)具有復(fù)雜工位的生產(chǎn)線，可能需要有針對性地架設(shè)特殊類型服務(wù)器，并設(shè)計(jì)合理的通信構(gòu)架。

服務(wù)器僅作文檔/數(shù)據(jù)備份，車間各個(gè)服務(wù)器可以設(shè)定在某個(gè)時(shí)間段自動(dòng)向服務(wù)器備份，網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)小，且不會(huì)發(fā)生因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)故障，車間無法工作等情況。管理人員可以分別登錄各車間服務(wù)器，對生產(chǎn)線狀況進(jìn)行必要的查詢統(tǒng)計(jì)。

2.2 硬件架構(gòu)

交換機(jī)和路由器是數(shù)據(jù)組網(wǎng)的關(guān)鍵部件，選用三層交換機(jī)和路由器端口映射或VPN的方式，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信，并可以通過映射等方式實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)訪問。每臺(tái)數(shù)控設(shè)備的連接是通過智能終端和屏蔽網(wǎng)線連接就近位置的交換機(jī)，通信協(xié)議為PROFINET，且具有良好的現(xiàn)場抗干擾能力。

企業(yè)的工業(yè)局域網(wǎng)承擔(dān)著設(shè)備和高級(jí)企業(yè)信息系統(tǒng)互聯(lián)的任務(wù)。生產(chǎn)線設(shè)備都和企業(yè)局域網(wǎng)相聯(lián)，對于有網(wǎng)卡的數(shù)控設(shè)備直接設(shè)置IP地址和網(wǎng)絡(luò)接入ProfiNET，其他接口設(shè)備必須通過可靠的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為ProfiNET協(xié)議，在工業(yè)總線通信協(xié)議的規(guī)范下，完成實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和與用戶進(jìn)行功能反饋的渠道。通常，軟件系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)系統(tǒng)交互（如數(shù)據(jù)庫通信）等功能，同時(shí)，提供相應(yīng)接口驅(qū)動(dòng)，如RJ45、藍(lán)牙等，完成對設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能。

同時(shí)，由于生產(chǎn)線需求的特殊性，軟件系統(tǒng)還應(yīng)具備工單下發(fā)、工藝配方修改，以及G代碼等數(shù)控程序的修改功能，從而實(shí)現(xiàn)便捷的在線調(diào)試與作業(yè)軟件更新。

2.4 總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)將整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)層次，L1層包含4個(gè)區(qū)域生產(chǎn)線設(shè)備，生產(chǎn)線設(shè)備只通過區(qū)域主站PLC，遵循ProfiNET通信協(xié)議向L2層級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù);L2層接收L1層的信息存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫，并將信息上傳至L3層供遠(yuǎn)程監(jiān)視;L3層接收L2層的信息監(jiān)視L1層設(shè)備運(yùn)行狀況，并將信息分別在本地和云端進(jìn)行存儲(chǔ)?？傮w網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方案

對于實(shí)施的統(tǒng)計(jì)分析模塊分為4個(gè)標(biāo)簽頁面，主要有首頁、設(shè)備日志、統(tǒng)計(jì)圖表、對比分析功能。以下就4個(gè)頁面的功能分別介紹如下：

3.1 首頁功能

首頁分為布局圖與狀況圖這兩大顯示頁面，左側(cè)功能區(qū)為企業(yè)的設(shè)備列表。布局圖顯示的是當(dāng)前設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，該部分功能將繼承監(jiān)測采集模塊電子地圖的實(shí)時(shí)功能。狀況圖顯示的是該設(shè)備在當(dāng)前的24h內(nèi)的工況分布。

在統(tǒng)計(jì)分析這塊，著重考慮的是設(shè)備應(yīng)用狀況的統(tǒng)計(jì)分析。采集回的信息都將記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫，供日后其他系統(tǒng)調(diào)用。

統(tǒng)計(jì)分析模塊中的設(shè)備布局圖是供各個(gè)管理部門直接查看的，它與監(jiān)測采集模塊的狀態(tài)信息保持一致，但該模塊無需再單獨(dú)配置，即可繼承采集模塊的信息，適合多人同時(shí)瀏覽。

3.2 設(shè)備日志功能

Logger功能是一般數(shù)據(jù)系統(tǒng)常用功能，用于記錄設(shè)備的運(yùn)行情況，對后期設(shè)備的運(yùn)維提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐。功能區(qū)是時(shí)間選取功能和該時(shí)間段的柱狀分布圖。通過幾項(xiàng)日志的查看可以詳細(xì)了解每一天該設(shè)備的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)所發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，對于后期的生產(chǎn)管理追溯和設(shè)備管理追溯都有著重要的意義。

3.3 統(tǒng)計(jì)圖表功能

“統(tǒng)計(jì)圖表”標(biāo)簽頁則是針對設(shè)備的詳盡圖表顯示，通過該模塊可以詳盡地了解到各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)分布，通過直觀的餅狀圖和直方圖顯示?？梢葬槍υO(shè)備的開動(dòng)率、運(yùn)行率、有效利用率分別顯示。

4 L2與上級(jí)系統(tǒng)通信構(gòu)架

4.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

一般來說，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則需要滿足時(shí)效性與安全性，也就是說，在一定的通信負(fù)載的條件下，要滿足相應(yīng)傳輸?shù)乃俾?。這里采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一般來說可以達(dá)到相應(yīng)的速率需求，但是，由于生產(chǎn)線設(shè)備的特殊性，存在不支持以太網(wǎng)接口的設(shè)備出現(xiàn)，那么在傳輸時(shí)效性準(zhǔn)則下，需要合力安排需要采集數(shù)據(jù)的種類，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)壓縮，降低數(shù)據(jù)通信負(fù)載。

安全性也是通信的關(guān)鍵要求之一，針對生產(chǎn)設(shè)備的攻擊時(shí)有發(fā)生，特別是針對關(guān)鍵過程控制和核能發(fā)電控制設(shè)備的攻擊一旦成功，則會(huì)對數(shù)據(jù)完整性與真實(shí)性造成損害，更有甚者，會(huì)造成重大安全事故。所以，針對通信安全性考慮也必須在通信構(gòu)架設(shè)計(jì)之初就予以考慮，如采用OPC-UA等方式，實(shí)現(xiàn)以用戶接入為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)通信安全。

針對自動(dòng)化控制的特殊性，需要在滿足安全和時(shí)效性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠控制，這就需要通信硬件和軟件保證一定的可靠性冗余，同時(shí)，需要滿足硬，實(shí)時(shí)控制，也就是說需要在控制任務(wù)的截止期之前完成有效控制，采用ProfiNET等工業(yè)總線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備的可靠控制。

4.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)技術(shù)方案

針對工業(yè)控制設(shè)備需求和現(xiàn)實(shí)操作需求，依據(jù)之前確定的通信需求和通信準(zhǔn)則，在業(yè)務(wù)邏輯上進(jìn)行精確區(qū)分，兼顧通信需求與業(yè)務(wù)功能需求，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)層和功能層，設(shè)計(jì)友好的HMI，便于用戶使用，同時(shí)采用扁平化的系統(tǒng)構(gòu)架，壓縮用戶之間的通信時(shí)間，打通PLC工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與車間及MES系統(tǒng)之間的通信。同時(shí)根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)需求，對不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)協(xié)議的解碼，進(jìn)而完成網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)解包與打包，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的智能網(wǎng)關(guān)功能。其次，要完成不同通信系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)映射，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)ERP與MES之間的訂單下發(fā)、員工管理、報(bào)表下發(fā)等，同時(shí)通過5G等無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)、故障信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在客戶端采用B/S或C/S構(gòu)架，通過授權(quán)方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)、設(shè)計(jì)和用戶數(shù)據(jù)的安全。

4.3 項(xiàng)目實(shí)施難點(diǎn)

目前，隨著信息技術(shù)的逐步發(fā)展與深入，自動(dòng)化、信息化、智能化深度融合需求日益凸顯。然而，由于一般自動(dòng)化行業(yè)服務(wù)的產(chǎn)業(yè)鏈模塊、人員技能、培訓(xùn)范圍和公司運(yùn)營成本等因素制約，反而在自動(dòng)化行業(yè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信息化、智能化改造困難重重。這也導(dǎo)致了大型重資產(chǎn)、長周期運(yùn)行的一般自動(dòng)化行業(yè)亟需信息化改造需求與信息化實(shí)現(xiàn)之間的矛盾。同時(shí)，相對于IT技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)往往更新?lián)Q代速率較慢，在IT領(lǐng)域已經(jīng)普遍使用的若干新興技術(shù)無法順利地嫁接至自動(dòng)化企業(yè)中，同時(shí)由于IT行業(yè)自身運(yùn)營模式的區(qū)別和人員技術(shù)類型的差異，在無法深入了解自動(dòng)化緊密相關(guān)的工藝、設(shè)備信息時(shí)，很難貼合實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)信息化與自動(dòng)化的無縫對接，自動(dòng)化設(shè)備的信息化改造仍然存在“兩張皮”的實(shí)際情況。

此外，在項(xiàng)目的具體實(shí)施中，由于長期以實(shí)際設(shè)備為主體的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，導(dǎo)致公司對設(shè)備信息化實(shí)現(xiàn)的難度與復(fù)雜程度沒有較好的預(yù)期，在項(xiàng)目的方案制定階段并未將信息化作為必要的一環(huán)融入項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)，導(dǎo)致相關(guān)自動(dòng)化設(shè)備選型不滿足信息化需求，數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型和安裝工藝不到位，項(xiàng)目人員無法支持相應(yīng)信息化項(xiàng)目的開發(fā)等問題，甚至，由于初始設(shè)計(jì)的缺失，在車間出現(xiàn)根本不具備信息化網(wǎng)絡(luò)搭建的現(xiàn)象出現(xiàn)。這些問題的出現(xiàn)，對項(xiàng)目的順利實(shí)施帶來了極大的阻礙。

5 結(jié)語

自動(dòng)化設(shè)備的信息化賦能，絕不是“亡羊補(bǔ)牢，為時(shí)未晚”，而應(yīng)做到“未雨綢繆，防患未然”。信息化設(shè)計(jì)必須伴隨設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)全過程，在控制方案、設(shè)備選型、人員配置、項(xiàng)目推進(jìn)、現(xiàn)場調(diào)試等階段貫穿信息化設(shè)計(jì)的思路，同時(shí)結(jié)合設(shè)備本身的差別，選取合適的自動(dòng)化設(shè)備的信息化接口，并開發(fā)相應(yīng)的工業(yè)現(xiàn)場總線智能網(wǎng)關(guān)，針對生產(chǎn)線上不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)串口、工業(yè)以太網(wǎng)的兼容。

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