智能制造車間駕駛艙管控技術(shù)研究

徐海港，林連華，紀昌勇

（1.252800 山東省 高唐縣 山東時風(fēng)（集團）有限責(zé)任公司；2.252800 山東省 高唐縣 農(nóng)業(yè)部農(nóng)機動力和收獲機械重點實驗室）

0 引言

《中國制造2025》提出“推進信息化與工業(yè)化深度融合”的重點任務(wù)，加快推動新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向[1-2]。在推進智能制造的進程中，管理者在MES 技術(shù)基礎(chǔ)上，對各設(shè)備運行狀況、關(guān)鍵工藝參數(shù)的變化、產(chǎn)成品的數(shù)量、原材物料的使用及產(chǎn)品質(zhì)量狀況等方面，需要進行可視化的分析及預(yù)判，特別是對動態(tài)的KPI 指標，包含“平衡計分卡”模型中的各項指標，為執(zhí)行和決策提供第一手數(shù)據(jù)支撐[3-4]。

為實現(xiàn)智能制造的可視化管理，管理駕駛艙技術(shù)應(yīng)運而生。作為管理報表的可視化解決方案，可以幫助監(jiān)控智能工場和車間的全局，及時發(fā)現(xiàn)問題，做出科學(xué)化執(zhí)行決策，因此需要管理駕駛艙具有直觀性、可配置性、多維性、全面性和方便性[5-6]。直觀性是以圖表的方式直觀地顯示各項指標，并支持“鉆取式查詢”，實現(xiàn)對指標的逐層細化、深化分析?？膳渲眯?，根據(jù)用戶習(xí)慣，選擇合適的圖形來顯示不同的指標，如餅狀圖、柱狀圖、折線圖、條形圖等，多個圖形顯示的數(shù)據(jù)和模式可交叉調(diào)取，配置靈活；全面性是不同的組圖下，嵌套著多組的數(shù)據(jù)源，配置不同的數(shù)據(jù)表單，用戶可根據(jù)需要點擊并調(diào)取。管理駕駛艙實現(xiàn)不同權(quán)限用戶的不同操作，不同級別的用戶看到本職應(yīng)掌握和關(guān)注的指標，從技術(shù)上實現(xiàn)多用戶、多權(quán)限、多圖形、多指標的多維操作的目的。

作為裝備制造業(yè)，如何建立基于信息流、物流、工作流、參數(shù)流、質(zhì)量流的智能生產(chǎn)運維管理[7-8]，通過駕駛艙管控技術(shù)研究并實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，推進生產(chǎn)過程智能化，培育新動能顯得尤為迫切。

1 鑄造車間數(shù)據(jù)采集

采用信息物理融合CPS、高精度感知控制、工業(yè)互聯(lián)互通和新型人機交互等信息技術(shù)實現(xiàn)駕駛艙的集成式管控，將分散在現(xiàn)場的各個系統(tǒng)和設(shè)備進行綜合管理和集成，同時采用工業(yè)互聯(lián)技術(shù)建立車間級工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)工廠內(nèi)部的系統(tǒng)、裝備以及人員之間的信息互聯(lián)互通。充分采集制造進度、現(xiàn)場操作、質(zhì)量檢驗、設(shè)備狀態(tài)等生產(chǎn)現(xiàn)場信息，并與車間制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和分析，將供應(yīng)鏈、制造過程、管理過程和環(huán)境監(jiān)控有機結(jié)合起來，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同制造系統(tǒng)。

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采用先進的智能感知與控制終端，該終端基于規(guī)則、策略庫進行靈活快速配置，可以適應(yīng)各種不同的設(shè)備、裝置的異構(gòu)多源的信息采集要求。在對原始數(shù)據(jù)進行智能融合、分析和提取，獲得底層設(shè)備的可信數(shù)據(jù)的同時，可根據(jù)設(shè)置的規(guī)則、來自上層MES 系統(tǒng)的命令以及實時采集的可信數(shù)據(jù)，自動形成對現(xiàn)場設(shè)備/裝置的智能控制輸出。整套系統(tǒng)，以生產(chǎn)單元控制與管理系統(tǒng)為核心，打通底層設(shè)備、上層信息管理系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流，其核心要素為互連、互通、互操作，為各單元實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供支撐。

在數(shù)據(jù)完備的基礎(chǔ)上，通過對工廠的生產(chǎn)信息監(jiān)視、故障報警預(yù)警、產(chǎn)能分析、設(shè)備健康評估、設(shè)備優(yōu)化建議、檢修記錄、故障處理指導(dǎo)，提升設(shè)備利用效率，幫助企業(yè)管理層實時獲悉所有生產(chǎn)信息，進而對整體運營進行精確的評估和決策。

針對車間和設(shè)備布局情況，以工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)（如圖1 所示），通過多種通訊方式，建立高速、可靠、安全的數(shù)據(jù)采集通訊網(wǎng)絡(luò)，既實現(xiàn)對生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集的全覆蓋，又保證數(shù)據(jù)通訊的實時性。

圖1 車間數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Workshop data acquisition network

通過構(gòu)建包含標識、屬性、事件和服務(wù)調(diào)用的多層綜合設(shè)備信息模型，提供工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)感知、采集、分析處理等服務(wù)，實現(xiàn)多種工業(yè)新協(xié)議統(tǒng)一計入、設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)分析和智能控制系統(tǒng)接入平臺。通過將所有的數(shù)據(jù)進行整合分析，構(gòu)建出可視化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如圖2 所示），實現(xiàn)了各網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造基地間的數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通、設(shè)備數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計、能源耗材數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計等功能。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件架構(gòu)Fig.2 Software architecture of data acquisition system

1.2 設(shè)備數(shù)據(jù)采集

設(shè)備數(shù)據(jù)采集框架及通訊系統(tǒng)支持包括Modbus、Profinet、Tcp、HART、TCP、UCP、RS協(xié)議在內(nèi)的主流通訊協(xié)議，開放數(shù)據(jù)接入接口，可以通過與設(shè)備控制器建立協(xié)議通訊收集和共享大量數(shù)據(jù)，收集的數(shù)據(jù)將發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。通過這種方式實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備的互通、設(shè)備與中央控制臺的互通，達到物聯(lián)的最終目標。系統(tǒng)可以將搜集到的數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)單元進行存儲，并與其他數(shù)據(jù)進行匯總、比較，然后以有用的圖形化的方式呈現(xiàn)給最終用戶，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集與接入Fig.3 Data acquisition and access

根據(jù)工藝技術(shù)需求，對采集的外部狀態(tài)信息(如運行、報警、故障、停機、缺料、堵料、產(chǎn)量、小時工作量等)、內(nèi)部過程數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、報警信息、系統(tǒng)信息、RFID 數(shù)據(jù)、能源數(shù)據(jù)等進行特征分析，建立設(shè)備數(shù)據(jù)模型，如圖4、圖5 所示。

圖4 設(shè)備數(shù)據(jù)模型Fig.4 Device data model

圖5 報警數(shù)據(jù)模型Fig.5 Alarm data model

1.3 基于OPC 的數(shù)據(jù)采集

基于微軟的OLE（現(xiàn)在的Active X）、COM（部件對象模型）和DCOM（分布式部件對象模型）技術(shù)，采用客戶/服務(wù)器模式。OPC 提供一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)。參見圖6。

圖6 基于OPC 的數(shù)據(jù)采集方式Fig.6 OPC-based data acquisition method

2 鑄造MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MES 制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)

鑄造MES 生產(chǎn)過程執(zhí)行系統(tǒng)功能模塊主要涵蓋鑄造車間數(shù)據(jù)采集與分析、生產(chǎn)過程管控、質(zhì)量追溯、設(shè)備互聯(lián)等。系統(tǒng)以產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量為核心，以產(chǎn)品批次管理為中軸，圍繞和追蹤整個生產(chǎn)過程，做到質(zhì)量全過程管理，包括原材料進料檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)檢、型砂檢驗、光譜成分化驗、機械性能測試、金相檢驗、不合格處置等。通過鑄造車間數(shù)字化智能化系統(tǒng)改造升級，實現(xiàn)鑄造生產(chǎn)“透明可視”，生產(chǎn)效率大幅提升，工藝知識積累沉淀，質(zhì)量全程追溯，大數(shù)據(jù)智能決策。如圖7 所示。

圖7 MES 系統(tǒng)界面Fig.7 MES system interface

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)計劃、物料信息、工位BOM 信息、工藝文件、質(zhì)量檢查記錄及工作中心/設(shè)備等信息管理。其中，工藝文件/產(chǎn)品圖紙/三維模型、質(zhì)量檢查記錄等通過與PDM 系統(tǒng)集成獲取，生產(chǎn)計劃、物料信息/工位BOM 通過與ERP系統(tǒng)集成獲取。為了保證信息系統(tǒng)間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的一致性，需要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)同步。

2.3 動態(tài)生產(chǎn)計劃排產(chǎn)

生產(chǎn)計劃功能模塊根據(jù)提供的訂單、工藝數(shù)據(jù)，考慮工藝、產(chǎn)能、訂單、產(chǎn)品等多方面的約束條件，生成相應(yīng)的可執(zhí)行的生產(chǎn)計劃。生產(chǎn)計劃排產(chǎn)模塊可將總體生產(chǎn)任務(wù)單計劃進一步分解形成生產(chǎn)子計劃（日計劃），根據(jù)訂單交期、客戶等級等因素子計劃通過顏色區(qū)分不同急緩程度的任務(wù)，計劃不同時間生產(chǎn)不同產(chǎn)品，并可將子計劃下達至涉及工位。下達后的子計劃若出現(xiàn)緊急更改等過程需相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)批準許可，并記錄變更人員、時間等信息方可下推變更信息。各工位可查看相關(guān)的生產(chǎn)計劃，同時可通過設(shè)備的生產(chǎn)信息，實現(xiàn)不同生產(chǎn)計劃和任務(wù)之間的完成情況記錄、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)記錄（客戶需提供相應(yīng)的表單模板），對于規(guī)定時間內(nèi)超計劃未完成的任務(wù)系統(tǒng)可用不同的顏色標出給出警告。在車間現(xiàn)場終端可查詢總體工序步驟及當前各工序進展情況（車間在制品監(jiān)控），系統(tǒng)可根據(jù)人員安排、關(guān)鍵設(shè)備信息，預(yù)警生產(chǎn)計劃執(zhí)行中的風(fēng)險。

在生成的子計劃（日計劃）執(zhí)行過程中，根據(jù)現(xiàn)場的執(zhí)行情況，對計劃的執(zhí)行以及影響計劃的異常進行反饋進入生產(chǎn)計劃功能模塊，生產(chǎn)計劃功能模塊對相應(yīng)的需求訂單、設(shè)備計劃進行滾動排程，生成新的生產(chǎn)計劃重新發(fā)布。

現(xiàn)場操作人員通過車間現(xiàn)場的移動終端、條碼掃描槍，將生產(chǎn)進度、生產(chǎn)人員信息、部件信息、質(zhì)量檢測的信息等及時反饋到MES 系統(tǒng)中，以滿足車間管理人員實時了解生產(chǎn)進度的需要。工序/工位生產(chǎn)任務(wù)完成后，及時通過移動終端進行報工，完工信息通過MES 系統(tǒng)反饋回公司的EPR 系統(tǒng)，公司管理人員能實時了解車間生產(chǎn)進度。

2.4 生產(chǎn)執(zhí)行管控

鑄造智能化將針對車間的生產(chǎn)作業(yè)需求，基于工業(yè)級的觸摸屏或工控機，采用一套獨具特色的車間現(xiàn)場生產(chǎn)管理系統(tǒng)，其涵蓋：生產(chǎn)指令下達，圖紙傳遞，車間排產(chǎn)，工序開工、完工、質(zhì)檢、返工、廢次品處理，質(zhì)量追蹤，進度跟蹤，異常預(yù)警等各個環(huán)節(jié)。觸摸屏和工控機的引入將為車間作業(yè)人員提供便捷、快速的信息錄入和查詢手段，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的信息實時收集與發(fā)布。

時風(fēng)生產(chǎn)管理模塊包含生產(chǎn)訂單、澆注日計劃、澆注驗收、熔煉加料記錄、實際澆注記錄、鑄件驗收入庫等整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)內(nèi)容，使產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程更加易于管理把控，掌握瓶頸環(huán)節(jié)，為決策提供依據(jù)，提高生產(chǎn)效率。參見圖8。

圖8 生產(chǎn)過程管控Fig.8 Production process control

2.5 質(zhì)量管理

主要包括過程質(zhì)量在線監(jiān)測、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、關(guān)鍵件可視化管理、質(zhì)量追溯管理和質(zhì)量統(tǒng)計分析等模塊。管理人員可以多維度對車間現(xiàn)場實施監(jiān)控并對現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控信息進行分析，以產(chǎn)品的生產(chǎn)過程為監(jiān)測對象，以統(tǒng)計過程控制理論為基礎(chǔ)，利用控制圖監(jiān)控生產(chǎn)過程，找出影響系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)的因素，從而提示管理者及時采取相應(yīng)的措施，消除系統(tǒng)因素影響，保持各工序的穩(wěn)定運行，保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。對關(guān)鍵件實行重點管理，對不合格品實行實時動態(tài)管理，追本溯源。對不合格品產(chǎn)生原因進行統(tǒng)計分析找出質(zhì)量問題癥結(jié)所在，及時制定對應(yīng)預(yù)防措施、改進相應(yīng)工藝方案，從而穩(wěn)定提升產(chǎn)品合格率。

3 駕駛艙管控技術(shù)集成及平臺開發(fā)

可視化管理駕駛艙為管理者提供車間可視化監(jiān)控、生產(chǎn)狀態(tài)與信息監(jiān)控、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、KPI 報表統(tǒng)計分析、關(guān)鍵設(shè)備運行信息、動態(tài)決策、集成化控制等功能。通過可視化管理駕駛艙車間管理者可以遠程、實時在線對鑄造車間生產(chǎn)系統(tǒng)的運行情況進行監(jiān)控、分析、診斷、仿真、優(yōu)化，從而實時、有效地駕馭車間生產(chǎn)系統(tǒng)的運行情況。通過可視化管理駕駛艙控制，實現(xiàn)車間管理者與系統(tǒng)軟硬件的人機結(jié)合，車間的精益化、透明化、實時化和集成化的管控。通過定義關(guān)鍵信息的交互，實現(xiàn)對現(xiàn)場的指揮和決策。由Web 服務(wù)器提供給公司決策層關(guān)鍵信息，即時處理公司決策層的執(zhí)行指令，并實現(xiàn)對MES 系統(tǒng)的操作，從而達到資源的有效利用，生產(chǎn)過程的優(yōu)化及形成動態(tài)生產(chǎn)管理能力等目標。

可視化平臺集成鑄造車間的訂單排產(chǎn)情況、物料成套數(shù)據(jù)、實時生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)、計劃達成率、設(shè)備效率及異常情況、產(chǎn)品不良率等數(shù)據(jù)，搭建了如圖9 所示的智能制造信息中心管理駕駛艙平臺和APP 客戶端。

基于專用瀏覽器的輕量化模型場景動畫錄制，主要實現(xiàn)將模型的平移、縮放及旋轉(zhuǎn)等機械運動仿真過程，可在各模塊動畫過程中插入三維標注，指示仿真對象，通過文字描述解釋、指導(dǎo)仿真工藝過程。

（1）進入場景后，該場景的產(chǎn)品數(shù)據(jù)清楚地在面板上展示。圖10 為砂處理模塊，如：時間、進混砂機砂溫、CB 設(shè)定值、最終CB 測量值等。場景傳送帶上可以清晰地看出產(chǎn)品的運輸流程。進入圖11 所示的造型、澆注、清理模塊場景后，該場景的產(chǎn)品數(shù)據(jù)清楚地在面板上展示，如：時間、造型總數(shù)、下芯總數(shù)等。進入圖12 所示的熔煉球化模塊場景，可以看到產(chǎn)品從吊裝到熔煉的整個流程，共計2 臺機器分別工作，機器上方顯示模型的具體數(shù)據(jù)，如時間、熔化耗電量、輸入功率。

圖10 砂處理場景Fig.10 Sand treatment scenario

圖11 造型澆注場景Fig.11 Casting scene

圖12 熔煉球化場景Fig.12 Furnace spheroidization scene

（2）第2 行的模塊顯示生產(chǎn)線上正在生產(chǎn)的不同鑄件的工藝分析和工藝模擬。砂處理采用ProfiNet 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口和協(xié)議，采用OPC Client 讀取CB 設(shè)定值、最終CB 測量值、總加量、混砂周期、N1 輔料稱量值、N2 輔料稱量值、舊砂冷卻進料溫度、舊砂出砂水分、舊砂冷卻出料溫度等變量。造型部分，垂直造型生產(chǎn)線具有SCADA系統(tǒng)，可以提供數(shù)據(jù)上傳服務(wù)。需要在服務(wù)器上使用PHP 開發(fā)一個基于Web Service 的接口程序，HTTPpost Method，通過訪問http 接口程序地址，并將需要上傳的數(shù)據(jù)打包post 服務(wù)程序，服務(wù)程序通過PHP ADO 數(shù)據(jù)連接更新到數(shù)據(jù)庫中。包括造型總數(shù)、下芯總數(shù)、當日造型數(shù)、瞬時生產(chǎn)率、正板模具溫度、反板模具溫度、射砂壓力、砂型厚度等，還包含本批次生產(chǎn)的總計劃數(shù)、生產(chǎn)計劃數(shù)、成品率以及下一批次生產(chǎn)計劃。熔煉澆注部分，通信模塊支持TCP/IP 連接，采用Socket Server/Client模式，查詢電熔爐變量表。配料系統(tǒng)采集變量包含原生鐵的加入量，廢鋼的加入量，回爐料的加入量，及碳、硅、錳、磷、硫、稀土、鎂等組份信息。

（3）第3 行模塊首先顯示安全風(fēng)險管控點，包括1～4 級風(fēng)險點、事故統(tǒng)計及安全預(yù)警。動態(tài)顯示車間的噪聲、粉塵、電消耗等。后面3 個模塊分別顯示總產(chǎn)量、訂單數(shù)量、完成數(shù)、內(nèi)銷和外銷的統(tǒng)計；計劃完成的不同零件的數(shù)值，動態(tài)顯示已完成和未完成數(shù)量及原材料的消耗量及合格品的統(tǒng)計、入庫、出庫情況，嵌套不同的曲線圖，直觀明了。

（4）通過可視化監(jiān)控及遠程聯(lián)動，在駕駛艙平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)APP 客戶端，生產(chǎn)過程透明化，通過實時互動方式，不同權(quán)限管理人員可直觀、全面地了解車間生產(chǎn)情況,提高生產(chǎn)管理水平和效率，提高作業(yè)質(zhì)量和效率。

5 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵工序的互聯(lián)互通協(xié)同控制技術(shù)研究及駕駛艙運維管理平臺的搭建，實現(xiàn)了車間可視化監(jiān)控、生產(chǎn)狀態(tài)與信息監(jiān)控、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、KPI 報表統(tǒng)計分析、關(guān)鍵設(shè)備運行信息、動態(tài)決策、集成化控制等。在集團推廣應(yīng)用后，取得顯著效果，實現(xiàn)了以訂單為中心的信息物理和人的集成，工作高效，物料利用率、生產(chǎn)效率提高20%以上，成本降低15%～30%，產(chǎn)品不良率下降了20%，具有較好的應(yīng)用效果和示范推廣前景。