基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

韋留坤

（約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司， 廣東 清遠(yuǎn) 511685）

所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是將工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各種設(shè)備連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息交換。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)上人與人的交流擴(kuò)展到人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的交流，通過將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入工業(yè)機(jī)械設(shè)備，釋放生產(chǎn)設(shè)備的全部潛力，從而提高生產(chǎn)力[1]。由于當(dāng)前空調(diào)生產(chǎn)線的質(zhì)量控制不穩(wěn)定，材料和設(shè)備利用率低，生產(chǎn)數(shù)字化管理水平不高，而空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)的應(yīng)用能有力推動(dòng)空調(diào)生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提升。基于此，本文結(jié)合空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線智能控制要求，提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 需求分析

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)設(shè)備占用空間較大，設(shè)備分布零散，屬于分布式加工系統(tǒng)，因此，空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線控制需求主要包括以下幾點(diǎn)。

1.1 安全生產(chǎn)需求

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線是一種高溫、高速的連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)一個(gè)翅片僅需20 s，因此，在設(shè)計(jì)中控系統(tǒng)時(shí)需要高度重視生產(chǎn)線的安全控制[2]。通過中控系統(tǒng)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)線的當(dāng)前狀態(tài)，隨時(shí)掌握生產(chǎn)線的運(yùn)行安全狀況，從而確保生產(chǎn)安全。

1.2 故障排查需求

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)過程常出現(xiàn)兩類故障，一是可修復(fù)故障。如果風(fēng)冷時(shí)間過長(zhǎng)，板材沖壓溫度不足，在運(yùn)輸過程中會(huì)形成疊料，影響生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。另一個(gè)是嚴(yán)重故障。例如，機(jī)械手與加熱爐發(fā)生碰撞，機(jī)械手動(dòng)作異常等，此類故障一旦發(fā)生，生產(chǎn)線將被迫停機(jī)檢修。因此，需要通過中控系統(tǒng)檢測(cè)是生產(chǎn)線運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，重現(xiàn)故障發(fā)生過程，從而快速查明故障原因[3]。

1.3 穩(wěn)定生產(chǎn)需求

生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品制造缺陷和生產(chǎn)線停機(jī)。為了提高生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，需要中控系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，如果設(shè)備出現(xiàn)問題能夠第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)的中控系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線各設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)行參數(shù)采集分析、生產(chǎn)流程管理。從多個(gè)角度、多個(gè)層面掌握空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過程，從而構(gòu)建比較完善的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控平臺(tái)。

2.2 系統(tǒng)模塊

如圖1 所示，該系統(tǒng)主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)管理（DCS）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）、生產(chǎn)決策系統(tǒng)構(gòu)成[4]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 主要負(fù)責(zé)采集、處理、管理生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)，如各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、任務(wù)進(jìn)度、實(shí)時(shí)工況等，同時(shí)為PMS、DVS 等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 主要扶著生產(chǎn)車間計(jì)劃制定和維護(hù)、生產(chǎn)任務(wù)安排，生產(chǎn)資料配置、物料庫存管理等，可以對(duì)空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行全程精細(xì)化管理，實(shí)現(xiàn)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯。生產(chǎn)決策和優(yōu)化系統(tǒng)DVS 提供全部空調(diào)生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)異常狀態(tài)自動(dòng)告警，監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)執(zhí)行狀態(tài)[5]。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本次設(shè)計(jì)的空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)架構(gòu)可分為三層，即設(shè)備層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層。其中設(shè)備層基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的所有設(shè)備聯(lián)為一體。業(yè)務(wù)層，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 實(shí)時(shí)采集和管理空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用層則主要通過PMS 系統(tǒng)制定生產(chǎn)計(jì)劃，分配生產(chǎn)任務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)質(zhì)量檢驗(yàn)、倉儲(chǔ)管理等業(yè)務(wù)管理，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集關(guān)于空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集并保存在數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)由消息中間件向中控系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 系統(tǒng)將關(guān)于生產(chǎn)、質(zhì)量控制方面的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)決策和優(yōu)化系統(tǒng)DVS 經(jīng)由消息中間件以及HTTP 接口獲得數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 設(shè)計(jì)

3.1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以為空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的各種設(shè)備提供通信網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備之間能夠相互通信，方便中控系統(tǒng)遠(yuǎn)程采集設(shè)備數(shù)據(jù)，常用的數(shù)據(jù)采集手段包括以下幾方面。

1）Windows 句柄采集：該技術(shù)適合用在無數(shù)據(jù)庫接口的場(chǎng)景，通過Windows 句柄編號(hào)可以分層搜索和采集數(shù)據(jù)。

2）外接硬件采集：該采集技術(shù)適合用于采集比較老舊的生產(chǎn)設(shè)備，如三色燈設(shè)備，可以在設(shè)備三色燈線24 V/220 V 接入I/O 采集硬件設(shè)備，從而采集和分析設(shè)備的使用情況以及報(bào)警信息。

3）ODBC 協(xié)議采集：借助ODBC 數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)表數(shù)據(jù)字段的采集。

4）標(biāo)準(zhǔn)工控協(xié)議采集技術(shù)：對(duì)于配備了PLC、HMI的生產(chǎn)設(shè)備，可以基于UA、Profinet 等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)可攻至協(xié)議采集分析對(duì)應(yīng)的點(diǎn)表和數(shù)據(jù)地址。

3.1.2 采集數(shù)據(jù)管理

在空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集后分類存儲(chǔ)保存在數(shù)據(jù)庫中，形成與生產(chǎn)流程對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)主要有空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)檢數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)通過Socket 等方式獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存入數(shù)據(jù)庫，中控系統(tǒng)可以基于需要隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

3.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 設(shè)計(jì)

該子系統(tǒng)基于空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的投入產(chǎn)出、生產(chǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)管理，系統(tǒng)的基本功能是生產(chǎn)計(jì)劃制定，生產(chǎn)任務(wù)的分配，生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度、生產(chǎn)資源配置與等。

1）生產(chǎn)物料管理：提供物料編碼、庫存管理和轉(zhuǎn)移功能的現(xiàn)場(chǎng)管理。維護(hù)基礎(chǔ)信息：管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)組織、人員、產(chǎn)品技術(shù)、材料等基礎(chǔ)信息，為質(zhì)量檢驗(yàn)、生產(chǎn)等模塊作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

2）生產(chǎn)計(jì)劃管理：制定、下發(fā)生產(chǎn)計(jì)劃，分配生產(chǎn)任務(wù)，安排生產(chǎn)人員，確定生產(chǎn)日期和完工日期。

3）生產(chǎn)質(zhì)量管理：提供產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)任務(wù)、任務(wù)分配和檢驗(yàn)結(jié)果記錄的管理，并為產(chǎn)品質(zhì)量分析提供必要的數(shù)據(jù)。

4）系統(tǒng)維護(hù)：提供生產(chǎn)管理系統(tǒng)用戶、角色、權(quán)限、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)日志等信息的維護(hù)，為系統(tǒng)運(yùn)維提供基礎(chǔ)保障。

5）生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)：主要功能為生產(chǎn)設(shè)備的維保、點(diǎn)檢數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及分析處理。

3.3 生產(chǎn)決策與優(yōu)化系統(tǒng)DVS 設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，大部分空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)線都缺乏可視化工具，即使有，其可視化數(shù)據(jù)是不完整和零散的，生產(chǎn)線技術(shù)人員主要依靠紙質(zhì)文件和人腦記憶來完成整個(gè)生產(chǎn)過程。生產(chǎn)人員無法全面掌握當(dāng)前生產(chǎn)作業(yè)所需的設(shè)備和原材料，生產(chǎn)車間主任也無法隨時(shí)掌握當(dāng)前的生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)和質(zhì)量狀況等數(shù)據(jù)[6]。因此，需要在生產(chǎn)決策與優(yōu)化系統(tǒng)DVS 中集成可視化工具，可視化數(shù)據(jù)根據(jù)PMS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為5 個(gè)模塊，系統(tǒng)為各模塊分別配備屏幕監(jiān)視器，同時(shí)配備整合各模塊的整體屏幕監(jiān)視器，這對(duì)于監(jiān)控空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)、庫存、質(zhì)量檢驗(yàn)等相關(guān)數(shù)據(jù)有很大幫助，圖3 為可視化工具系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。

4 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

以生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)中心為核心，通過API 接口鏈接的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控系統(tǒng)集成了DCS、PMS、DVS 等模塊，各模塊之間基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)中心分為時(shí)序數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。前者主要存儲(chǔ)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，后者主要存儲(chǔ)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用基于MQTT 協(xié)議的EMCX 消息中間件，實(shí)現(xiàn)不同模塊之間的數(shù)據(jù)交互和集成，模塊之間的接口通過HTTP 協(xié)議的RestFul 接口實(shí)現(xiàn)，如系統(tǒng)中生產(chǎn)人員基本信息HTTP 接口[7]。

1）定義。UserPkResultqueryUserPk（StringuserId）。

2）參數(shù)說明。UserId 參數(shù)代表員工的工作編號(hào)或唯一標(biāo)識(shí)符。

3）返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該程序編碼為：用戶PK 結(jié)果：{

字符串UserPk；//個(gè)人主鍵

字符串返回碼；//參考返回碼說明

字符串消息；//錯(cuò)誤信息

}

5 結(jié)語

有效利用空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線中控系統(tǒng)可以大大提高空調(diào)制造行業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，減少生產(chǎn)人員的工作負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確控制和全過程控制?？照{(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線中控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用應(yīng)結(jié)合空調(diào)制造行業(yè)的實(shí)際情況。在原有自動(dòng)化系統(tǒng)基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)和部署中控系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)控制生產(chǎn)過程，減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，促進(jìn)空調(diào)制造行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。