汽車數(shù)字化車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)

摘要：生產(chǎn)監(jiān)控（PMC）系統(tǒng)在汽車數(shù)字化車間中應用廣泛，能實現(xiàn)大規(guī)模采集整車車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的準確性和透明性，幫助及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)問題，降低產(chǎn)能損失。分析汽車行業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)架構，基于Siemens WinCC OA 軟件平臺，采用HTML5 技術設計了Web 版的PMC 系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集存儲、監(jiān)控報警、數(shù)據(jù)分析和報表管理等功能。

關鍵詞：數(shù)字化車間；生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)（PMC）；WinCC OA 軟件；HTML5 技術

0 前言

生產(chǎn)監(jiān)控（PMC）系統(tǒng)具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采集、生產(chǎn)設備過程監(jiān)控、生產(chǎn)設備異常報警、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)報表管理等功能，廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、燃氣、鐵路及汽車等行業(yè)。在汽車整車制造的沖壓、焊裝、涂裝和總裝4 大工藝車間中，PMC 系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用。在焊裝、總裝車間，PMC 系統(tǒng)可以實現(xiàn)生產(chǎn)信息的實時采集，通過可視化軟件監(jiān)控可編程邏輯控制器（PLC）、機器人、焊接裝置等設備的運行狀態(tài)，顯示設備的報警信息，幫助生產(chǎn)人員及時了解設備狀況，提高生產(chǎn)效率［1］。同時，對產(chǎn)量數(shù)據(jù)、設備節(jié)拍時間、設備綜合效率、系統(tǒng)考核指標等信息進行統(tǒng)計分析，為科學有效地生產(chǎn)管理提供客觀依據(jù)。PMC 系統(tǒng)開發(fā)常用的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）軟件包括WinCC、InTouch、WinCC OA 等［2-3］。

1 車身車間PMC 系統(tǒng)設計需求

針對汽車車身生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)生的大量自動化設備信息，傳統(tǒng)采用人工記錄的方式，存在PLC 連接多、采集數(shù)據(jù)量大，生產(chǎn)數(shù)據(jù)不準確、不透明，生產(chǎn)中隱蔽問題和產(chǎn)能損失原因難以發(fā)現(xiàn)等問題。通過PMC 系統(tǒng)可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集，解決以上問題。

Siemens WinCC OA 軟件平臺是一種開放式架構的SCADA 系統(tǒng)，用于工業(yè)領域中的生產(chǎn)過程、設備和機器的可視化監(jiān)控和操作控制。本文基于Siemens WinCC OA 軟件平臺，結(jié)合HTML5 等Web 技術，設計出一套具備數(shù)據(jù)自動采集、監(jiān)控畫面、瓶頸識別、智能分析、圖表展示等功能的系統(tǒng)。

2 車身車間PMC 系統(tǒng)方案

2. 1 整體方案設計

本文項目中的PMC 系統(tǒng)連接超過130 套PLC，采集超過25 萬連接點的數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)量龐大。PMC 系統(tǒng)整體架構設計如圖1 所示，主要包括設備層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務邏輯層和用戶界面（UI）層等。設備層選用西門子S7-300 智能控制工業(yè)機器人、滾床、氣閥等現(xiàn)場設備。數(shù)據(jù)采集層通過傳輸控制協(xié)議（TCP）/網(wǎng)際互連協(xié)議（IP）獲取PLC 傳輸?shù)漠a(chǎn)量、節(jié)拍、報警、狀態(tài)等信息。數(shù)據(jù)存儲層基于WinCC OA 中時序數(shù)據(jù)庫，滿足數(shù)據(jù)歸檔、存儲和備份需求。業(yè)務邏輯層采用后臺腳本實現(xiàn)產(chǎn)量分析、節(jié)拍分析、開動率分析和報警分析等功能。UI 層采用jQuery+Bootstrap 等框架顯示人機界面（HMI），展示產(chǎn)量、節(jié)拍/開動率、報警等圖表信息，實現(xiàn)人機交互。

2. 2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

汽車車身車間PMC 系統(tǒng)的 PLC 連接數(shù)量大、采集數(shù)據(jù)點規(guī)模大，對服務器性能要求高。同時，考慮到PMC 系統(tǒng)要滿足多任務操作要求，提高后期開發(fā)維護的便捷性，因此服務器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2016，CPU 采用96 G 內(nèi)存的Intel? Xeon? Gold 6128，采用容量為1.5 T 的機械式硬盤。圖表界面采用Visual Studio Code 工具作為集成開發(fā)環(huán)境。

3 數(shù)據(jù)采集和存儲

為實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高效采集和存儲，系統(tǒng)采用分攤驅(qū)動的數(shù)據(jù)采集方案和優(yōu)化的時序數(shù)據(jù)庫存儲方式。

3. 1 數(shù)據(jù)采集

采用TCP 主動傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，每套PLC 每分鐘平均推送數(shù)據(jù)量超過100 條，部分連接較多設備的PLC 單位時間推送數(shù)據(jù)超過200 條。數(shù)據(jù)采集響應時間快，小于1 s。傳統(tǒng)的單驅(qū)動程序或單服務器難以滿足數(shù)據(jù)采集的性能要求，因此本項目采用多驅(qū)動程序分攤采集PLC 數(shù)據(jù)的方案，保證了系統(tǒng)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。本項目配置了3 個采集數(shù)據(jù)的TCP 驅(qū)動程序，每個驅(qū)動程序可采集40～50 個PLC 的數(shù)據(jù)，在采集過程中增加了新舊值比較的數(shù)據(jù)過濾功能。

3. 2 數(shù)據(jù)存儲

本項目利用WinCC OA 中自帶的時序數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲。每套PLC 每分鐘產(chǎn)生10 條數(shù)據(jù)，按150 套PLC 數(shù)量設計，每分鐘共產(chǎn)生1 500 條數(shù)據(jù)?？紤]到數(shù)據(jù)的冗余，同時為了給后期改造預留空間，設計了每份2 500 條的產(chǎn)量數(shù)據(jù)存儲空間，每天存儲4 份，數(shù)據(jù)可保存1 年。為防止數(shù)據(jù)丟失，設置了存儲數(shù)據(jù)自動備份機制。

4 系統(tǒng)功能模塊設計

本項目設計了監(jiān)控畫面、產(chǎn)量報表、節(jié)拍報表以及開動率報表等功能，便于數(shù)據(jù)的透明化展示以及瓶頸分析。

4. 1 監(jiān)控畫面

為了實現(xiàn)透明化、高效化生產(chǎn)，本項目PMC 系統(tǒng)中設計了主要設備對應的監(jiān)控畫面，實時監(jiān)控車身車間各PLC 中產(chǎn)量、設備狀態(tài)等信息。產(chǎn)量的監(jiān)控內(nèi)容主要包括班次目標產(chǎn)量、當前目標產(chǎn)量、產(chǎn)量差值等。實時產(chǎn)量按照以下流程進行計算：① 后臺啟動定時任務，獲取班次信息；② 判斷班次是否處于運行狀態(tài)；③ 班次運行時，獲取當前工作時長和目標節(jié)拍，其中，當前工作時長= 當前時間-班次開始時間-休息時間，目標節(jié)拍=目標產(chǎn)量/班次時間；④ 計算當前目標產(chǎn)量，更新畫面顯示數(shù)值，其中目標產(chǎn)量=目前工作時長/目標節(jié)拍。設備狀態(tài)監(jiān)控包括安全門、機器人、光柵等設備運行情況。

4. 2 產(chǎn)量模塊

為了透明地展示生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，本項目設計了產(chǎn)量報表功能，包括總產(chǎn)量統(tǒng)計和單位工作時間產(chǎn)量統(tǒng)計。產(chǎn)量界面采用jQuery+Bootstrap 開發(fā)軟件，采用WebSocket 的數(shù)據(jù)通信方式。總產(chǎn)量統(tǒng)計班次、日、周、月等多維度，包含生產(chǎn)線、PLC級別的實際產(chǎn)量、目標產(chǎn)量、差值、產(chǎn)量完成率等全方位信息。單位工作時間產(chǎn)量詳細計算了每套PLC 在班次時間內(nèi)各小時內(nèi)的產(chǎn)量情況及完成率。單位工作時間產(chǎn)量按照以下流程進行統(tǒng)計計算：① 加載班次內(nèi)的全部產(chǎn)量數(shù)據(jù)，根據(jù)需求拆分工作具體時段；② 遍歷循環(huán)產(chǎn)量數(shù)據(jù)以及對應的完成時間；③ 判斷產(chǎn)量完成時間是否在對應的時段內(nèi)，如果是，計算入該時段的產(chǎn)量值；④ 結(jié)束遍歷產(chǎn)量數(shù)據(jù)。

4. 3 節(jié)拍模塊

為了便于發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)核心問題點，幫助優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率，本項目設計了節(jié)拍模塊，包含線體節(jié)拍、PLC 節(jié)拍等部分。在線體節(jié)拍中，利用中位數(shù)算法計算顯示生產(chǎn)線各工位的節(jié)拍信息。其中，節(jié)拍不合格的工位標志為紅色，可以很直觀地發(fā)現(xiàn)瓶頸工位。中位數(shù)統(tǒng)計算法計算流程如下：① 加載查詢時間內(nèi)線體PLC 工位總節(jié)拍數(shù)據(jù)，并將各工位節(jié)拍數(shù)據(jù)從小到大排序；② 計算出排序后各個工位節(jié)拍的中位索引；③ 判斷統(tǒng)計的節(jié)拍數(shù)量，如果數(shù)據(jù)小于50，則將索引所在位置的節(jié)拍數(shù)據(jù)作為該工位的中位節(jié)拍；④ 如果數(shù)據(jù)大于等于50，則篩選出中位索引±10 之間的20 個數(shù)據(jù)，取其平均值作為中位節(jié)拍；⑤ 根據(jù)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)輸出各工位的中位節(jié)拍數(shù)據(jù)。

4. 4 開動率模塊

為了發(fā)現(xiàn)產(chǎn)能損失的原因，本項目設計了開動率模塊。開動率模塊主要由技術、組織和系統(tǒng)3 種類型的停線組成：技術開動率是由設備故障引起的停線；組織開動率是人為打開安全門引起的停線；系統(tǒng)開動率是空位和阻塞引起的停線；當多種停線同時出現(xiàn)時，按照技術gt;系統(tǒng)gt;組織的順序來計算對應的開動率。

根據(jù)報警信號、優(yōu)先級來統(tǒng)計開動率的算法需要區(qū)分報警信號的出現(xiàn)（TRUE）/消失（FALSE），針對不同的信號值做不同的處理，如圖2 所示。開動率統(tǒng)計算法具體計算流程如下：

（1） 報警信號出現(xiàn)時，獲取對應的報警級別。

（2） 讀取PLC 當前是否已有報警記錄，如果沒有，更新報警記錄，并記錄對應的報警級別。

（3） 如PLC 中已存在報警記錄，判斷報警級別；如果出現(xiàn)的報警級別大于記錄的報警級別，則更新報警信息，并記錄對應的報警級別；如果出現(xiàn)的報警級別小于記錄的報警級別，則返回。

（4） 報警信號消失時，獲取對應的報警級別，讀取PLC 當前記錄報警信息。

（5） 判斷消失的報警信號是否等于PLC 記錄的報警信息：否，則不更新PLC 狀態(tài)，繼續(xù)維持最高的報警狀態(tài)；是，則移除當前的報警記錄。

（6） 遍歷PLC 當前的所有報警信息，更新PLC當前狀態(tài)為最高級別報警信息。

（7） 記錄PLC 在該段時間內(nèi)對應的停線級別和停線時間。

在PLC 開動率圖表中，增加了產(chǎn)能利用率和報警信息統(tǒng)計。比較開動率和產(chǎn)能利用率，提升數(shù)據(jù)的準確性，同時統(tǒng)計報警信息，找到影響開動率的故障明細信息，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)能損失的原因。

4. 5 PMC 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)開動率模塊產(chǎn)能損失原因查找功能的有效性，本項目選取了某班次的數(shù)據(jù)進行試驗。試驗班次生產(chǎn)記錄時間為11.5 h，計劃產(chǎn)能為785 臺，實際產(chǎn)量為349 臺，產(chǎn)能開動率為44%，損失時間為386 min。根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計的故障信息計算當班次設備開動率為43.7%，技術開動率為73.85%，總停線時間為388 min，其中技術停線180 min，系統(tǒng)停線204 min，組織停線4 min。比較產(chǎn)量開動率和設備開動率圖表，可以發(fā)現(xiàn)開動率模塊計算結(jié)果與產(chǎn)能利用率比較接近，符合實際情況。結(jié)合故障統(tǒng)計信息，進一步發(fā)現(xiàn)焊槍修模器（FNR）的冷卻水故障對開動率影響比較大，考慮是本班次生產(chǎn)產(chǎn)能損失的主要原因。

5 結(jié)語

本文通過PMC 系統(tǒng)的設計滿足了車身車間生產(chǎn)控制自動化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)透明化等痛點需求。采用多驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集，利用監(jiān)控畫面和產(chǎn)量等圖表信息進行生產(chǎn)過程實時監(jiān)控。結(jié)合節(jié)拍報表、開動率統(tǒng)計、報警圖表，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線中的問題工位，快速地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)能損失的原因。本文基于WinCC OA 數(shù)據(jù)平臺以及HTML5 技術搭建的系統(tǒng)在汽車行業(yè)車身車間生產(chǎn)中應用，推動了車身車間的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

參 考 文 獻

［ 1 ］ 單利華，劉曉晨，王玉光. 汽車行業(yè)數(shù)字化車間技術探索[J]. 汽車實用技術，2017（10）： 117-119.

［ 2 ］ 趙兵，李明金.WinCC 在汽車廠全廠監(jiān)控信息系統(tǒng)中的應用[J]. 工業(yè)控制計算機， 2010，23（12）：3-4.

［ 3 ］ 蘇濤. 基于WinCC 及PLC 的汽車工廠涂裝車間控制及監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 中國新技術新產(chǎn)品，2010（23）：145-146.