楊悅欣 任工昌

(陜西科技大學(xué)，陜西 西安710021)

以往的生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)都是定制開發(fā)的，根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間設(shè)備的實(shí)際布局來開發(fā)的，一旦企業(yè)的生產(chǎn)流程或者是制造工藝發(fā)生變化，需要從上到下來對(duì)原有的系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，這必將耗費(fèi)大量的財(cái)力、人力和物力，導(dǎo)致企業(yè)對(duì)于采用生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的積極性不高。因此開發(fā)一款可以根據(jù)制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)流程或是制造工藝的變動(dòng)而隨時(shí)變動(dòng)的可配置的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義?？膳渲玫谋O(jiān)控系統(tǒng)可以針對(duì)不同企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際來快速部署，降低企業(yè)的信息化成本，提高企業(yè)生產(chǎn)管理的信息化水平[1-5]。

根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，生產(chǎn)車間監(jiān)控系統(tǒng)可配置性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1)生產(chǎn)線模型的可配置性。根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)流程的變化可以動(dòng)態(tài)地增加或者減少工位，生產(chǎn)線的模型在配置后可以根據(jù)配置后的情況展現(xiàn)到監(jiān)控界面中。

(2)監(jiān)控系統(tǒng)中所采集的數(shù)據(jù)的可配置性。生產(chǎn)線上所要采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)由于設(shè)備更換或者是應(yīng)用需求增加會(huì)發(fā)生變動(dòng)，可以在該系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)地編輯要采集的數(shù)據(jù)[6-8]。

1 生產(chǎn)車間情況概述

該企業(yè)的生產(chǎn)車間根據(jù)生產(chǎn)的工藝和流程劃分為5個(gè)生產(chǎn)島區(qū)：泵輪島區(qū)、渦輪島區(qū)、導(dǎo)輪島區(qū)、罩輪島區(qū)和總裝島區(qū)。每個(gè)島區(qū)包含若干個(gè)工位，工位之間有著先后順序，存在有一個(gè)工位有兩個(gè)前導(dǎo)工位的情況，所有工位中又分為自動(dòng)、半自動(dòng)和人工3種類型，自動(dòng)工位不需要有人值守，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行；半自動(dòng)工位有設(shè)備還需要有人值守；人工工位沒有設(shè)備，有人值守。同時(shí)還存在一個(gè)工位有多臺(tái)同類型設(shè)備的情況。

2 配置流程

根據(jù)可配置監(jiān)控系統(tǒng)的可配置性的兩個(gè)方面的需求，該系統(tǒng)配置模塊的功能包括以下4個(gè)部分：

(1)島區(qū)及工位配置中主要實(shí)現(xiàn)按照生產(chǎn)線的實(shí)際布局來配置島區(qū)中的各個(gè)工位的順序，特別是要配置工位的前后邏輯關(guān)系，另外配置工位的基本信息比如工位號(hào)、工位名稱、工位類型(自動(dòng)、半自動(dòng)及人工)。

(2)設(shè)備配置中要將自動(dòng)及半自動(dòng)工位與該工位所使用的設(shè)備關(guān)聯(lián)。

(3)班組配置中要將半自動(dòng)及人工工位與該工位所對(duì)應(yīng)的班組關(guān)聯(lián)。

(4)工位與OPC Item關(guān)聯(lián)配置中要實(shí)現(xiàn)工位與對(duì)應(yīng)的OPC Item項(xiàng)的關(guān)聯(lián)。

可配置監(jiān)控系統(tǒng)的整體配置流程如圖1所示。

該系統(tǒng)的配置流程具體描述如下：

首先配置島區(qū)配置Excel文件。為了方便用戶配置各島區(qū)所含的工位及工位的先后位置關(guān)系，設(shè)計(jì)了島區(qū)配置模板文件，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)車間中各島區(qū)的工位實(shí)際情況編輯配置Excel文件。

導(dǎo)入配置好的島區(qū)配置Excel文件。在導(dǎo)入完成后判斷配置信息是否正確，如果不正確重新編輯導(dǎo)區(qū)配置Excel文件，如果正確則進(jìn)入生產(chǎn)線配置主界面，導(dǎo)入成功后生成各島區(qū)的配置XML文件。

在主窗口中選擇某個(gè)島區(qū)，進(jìn)入該島區(qū)的配置窗口。島區(qū)配置窗口會(huì)根據(jù)該島區(qū)的配置XML文件動(dòng)態(tài)生成該島區(qū)的配置界面(包含該島區(qū)中的所有工位以及工位之間的前后位置關(guān)系)。

配置該島區(qū)中的某個(gè)工位。根據(jù)工位的不同類型(自動(dòng)、半自動(dòng)、人工)來分別配置工位所關(guān)聯(lián)的設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

循環(huán)配置完所有島區(qū)下所有工位。

其中在配置島區(qū)的工位信息時(shí)，詳細(xì)的配置流程如圖2所示。

在進(jìn)行某個(gè)工位的配置過程中，首先配置該工位關(guān)聯(lián)的所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)(一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一個(gè)OPC Item。比如某臺(tái)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)、當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流等)；然后判斷該工位的類型，如果是自動(dòng)工位則需要配置該工位所關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息(有一個(gè)工位存在多臺(tái)設(shè)備的情況)，如果是人工工位則需要配置該工位所關(guān)聯(lián)的班組信息(與人員組織結(jié)構(gòu)樹上的某個(gè)班組節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián))，如果是半自動(dòng)工位則同時(shí)需要配置該工位所關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息及班組信息，最后完成該工位的配置。

3 配置數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

3.1 島區(qū)配置模板文件

前面描述為了方便企業(yè)用戶根據(jù)生產(chǎn)流程和工藝來快速地配置生產(chǎn)車間的島區(qū)及所含工位情況，設(shè)計(jì)了島區(qū)配置信息模板。該模板是一個(gè)excel文件，企業(yè)用戶可以很方便地將工位的基本信息填寫到該文件中。該模板如圖3所示。

在該模板中需要分別把各個(gè)島區(qū)中所包含的所有工位的信息填入到模板的指定列中(包括工位的編號(hào)、前導(dǎo)工位編號(hào)、后續(xù)工位編號(hào)、工位名稱以及工位的類型)。編輯完后可以導(dǎo)入系統(tǒng)，生成各島區(qū)配置XML文件。

3.2 島區(qū)配置XML文件

根據(jù)該企業(yè)生產(chǎn)車間的實(shí)際為每個(gè)島區(qū)設(shè)計(jì)了配置文件(采用XML文件)。以圖4所示的泵輪島區(qū)配置文件為例。在泵輪島區(qū)配置文件中，1號(hào)工位為泵輪島區(qū)初始工位，所以該工位前導(dǎo)工位號(hào)為空；后續(xù)工位為2號(hào)工位；工位名稱為“外環(huán)沖窩”；工位類型為1，表示該工位為自動(dòng)類型工位(半自動(dòng)工位則工位類型值為2，人工工位則工位類型值為3)。

3.3 OPC Item項(xiàng)與工位關(guān)聯(lián)信息表

各個(gè)生產(chǎn)島區(qū)由若干個(gè)工位構(gòu)成，每個(gè)工位下面又包含了若干的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。以半自動(dòng)工位為例，該類型的工位包含以下的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備開關(guān)機(jī)狀態(tài)、設(shè)備溫度超限報(bào)警、設(shè)備壓力超限報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警、實(shí)際加工數(shù)量、人員編號(hào)等[9]。為了將數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的工位關(guān)聯(lián)起來，需要建立一個(gè)OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表，該表結(jié)構(gòu)如表1所示。

4 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體框架如圖5所示。生產(chǎn)車間設(shè)備上的傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)線上的物料、人員等信息通過PLC、DCS、HMI進(jìn)行信息的匯總[8]。每個(gè)信息點(diǎn)最終被設(shè)定為一個(gè)OPC Item項(xiàng)，這些信息點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC DA協(xié)議上傳到OPC Server中。OPC數(shù)據(jù)處理程序通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC訪問協(xié)議將所有變化的OPC Item項(xiàng)的值更新到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中。業(yè)務(wù)邏輯處理程序每隔一定的時(shí)間(10 s)讀取關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中的數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)故障信息(設(shè)備溫度超限報(bào)警、設(shè)備壓力超限報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警燈)會(huì)實(shí)時(shí)的顯示到對(duì)應(yīng)的工位中，同時(shí)用戶也可以實(shí)時(shí)的查看該工位所包含的所有的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)最近一次的值。

表1 OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表結(jié)構(gòu)

序號(hào)屬性名數(shù)據(jù)類型長(zhǎng)度描述1IDchar50主鍵2item＿namevarchar50OPCItem名稱3datatypevarchar20數(shù)據(jù)類型4descriptionvarchar1000OPCItem描述5station＿numint所屬工位號(hào)6current＿valuevarchar100當(dāng)前值7history＿valuevarchar100歷史值8last＿update＿timedatetime最后一次更新時(shí)間9memovarchar1000備注

4.2 業(yè)務(wù)邏輯處理程序

業(yè)務(wù)邏輯處理程序的作用是讀取關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中的OPC Item項(xiàng)(數(shù)據(jù)采集點(diǎn))的當(dāng)前值，向可配置生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面提供以下方法：

(1)根據(jù)島區(qū)名稱返回該島區(qū)狀態(tài)的方法。該方法遍歷屬于該島區(qū)的所有OPC Item，如果出現(xiàn)報(bào)警信息則返回邏輯假值。

(2)根據(jù)工位編號(hào)返回該工位狀態(tài)的方法。該方法遍歷屬于該工位的所有OPC Item,如果出現(xiàn)報(bào)警信息則返回邏輯假值。

(3)根據(jù)工位編號(hào)返回工位所包含的所有OPC Item的信息(名稱、描述、當(dāng)前值等)。

4.3 OPC數(shù)據(jù)處理程序

OPC數(shù)據(jù)處理程序是介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和OPC服務(wù)器之間的一個(gè)橋梁，根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中所存儲(chǔ)的OPC Item項(xiàng)，通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC訪問協(xié)議去訪問OPC服務(wù)器。當(dāng)OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中的某個(gè)OPC Item項(xiàng)的值發(fā)生改變時(shí)，更新OPC Item與工位關(guān)聯(lián)信息表中對(duì)應(yīng)OPC Item項(xiàng)的當(dāng)前值、歷史值以及最近一次更新時(shí)間。

該處理程序?qū)⑸a(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面與OPC服務(wù)器隔離開來，避免由于網(wǎng)絡(luò)的不通暢或者是OPC服務(wù)器的故障引起生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面的延遲響應(yīng)問題[10-14]。

4.4 系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)例

該生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控主界面如圖6所示。該界面顯示該車間所包含的5個(gè)生產(chǎn)導(dǎo)區(qū)，如果某個(gè)生產(chǎn)島區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了報(bào)警信息則該生產(chǎn)島區(qū)的對(duì)應(yīng)按鈕顯示為紅色，正產(chǎn)情況下為綠色。點(diǎn)擊某個(gè)生產(chǎn)島區(qū)可進(jìn)入該島區(qū)的監(jiān)控界面。某個(gè)島區(qū)的監(jiān)控界面會(huì)根據(jù)該島區(qū)的工位配置XML文件動(dòng)態(tài)生成該島區(qū)的工位顯示窗口。

圖7為導(dǎo)輪生產(chǎn)島區(qū)的監(jiān)控界面。該島區(qū)包含5個(gè)工位，在界面上會(huì)顯示該每個(gè)工位的實(shí)時(shí)狀況，當(dāng)某個(gè)工位的圖標(biāo)背景顯示為綠色時(shí)表示該工位的生產(chǎn)狀態(tài)正常，當(dāng)某個(gè)工位出現(xiàn)報(bào)警信息(設(shè)備溫度超限報(bào)警、設(shè)備壓力超限報(bào)警或者是設(shè)備故障報(bào)警)時(shí)該工位對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)背景變?yōu)榧t色。

點(diǎn)擊某個(gè)工位的圖標(biāo)彈出工位詳情顯示界面。該界面中會(huì)顯示該工位的編號(hào)、名稱、工位類型、所屬的生產(chǎn)島區(qū)名稱,同時(shí)會(huì)顯示該工位關(guān)聯(lián)的OPC Item項(xiàng)的信息表格和該工位關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息表格。半自動(dòng)類型工位詳情顯示界面中還會(huì)顯示關(guān)聯(lián)的人員組織結(jié)構(gòu)信息，人工類型工位詳情顯示界面中也會(huì)顯示關(guān)聯(lián)的人員組織結(jié)構(gòu)信息但沒有關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息。

5 總結(jié)及展望

針對(duì)某液力變矩器企業(yè)生產(chǎn)車間所開發(fā)的可配置的生產(chǎn)車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)解決了以往車間實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)定制開發(fā)，適應(yīng)性不強(qiáng)的問題。可以通過編輯生產(chǎn)島區(qū)配置文件并導(dǎo)入系統(tǒng)，來讓實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)工藝流程或者是生產(chǎn)流程發(fā)生改變的實(shí)際情況，同時(shí)通過對(duì)于工位的詳細(xì)配置(包括工位所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)以及工位所關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息、人員組織結(jié)構(gòu)信息)來適應(yīng)生產(chǎn)車間工位所包含的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、設(shè)備或人員發(fā)生變化的情況。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的柔性及適應(yīng)性，可以提高該企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控的信息化水平，同時(shí)可以有效地降低企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控信息化的成本。

目前的系統(tǒng)展示較為簡(jiǎn)單，將來可以建立工位的生產(chǎn)動(dòng)畫或者是通過實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)視頻的連接來構(gòu)建可視化動(dòng)態(tài)信息處理模塊。同時(shí)考慮將生產(chǎn)調(diào)度、物料配送、質(zhì)量控制、設(shè)備與工具等也采用可配置的方式來進(jìn)行管理。采用相關(guān)算法對(duì)于系統(tǒng)的完備性的驗(yàn)證也是本文的研究目標(biāo)。

[1]Feng Z W, Wang G T. Real Time Monitoring System of Heat Treatment Intelligent Workshop[J]. Key Engineering Materials, 2014, 621(621):599-604.

[2]Li T D, Qin W, Zhang J, et al. Research and Application of Visualized Real-Time Monitoring System for Complex Product Manufacturing Process[J]. Key Engineering Materials, 2013, 579-580:787-791.

[3]Morgan J, O’Donnell G E. Cyber physical process monitoring systems[J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2015:1-12.

[4]曹偉, 江平宇, 江開勇,等. 基于RFID技術(shù)的離散制造車間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與可視化監(jiān)控方法[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2017, 23(2):273-284.

[5]張存吉, 姚錫凡, 張劍銘. 制造車間基于RFID與CEP的工作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2017(4):38-45.

[6]劉旭東, 孫文磊, 崔權(quán)維. 基于物聯(lián)網(wǎng)的車間制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息提取與控制[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2016(3):154-157.

[7]金光云, 孫召芹. 機(jī)床電能在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2017(4):65-68.

[8]于乃功, 方林, 王新愛,等. 異構(gòu)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2016(7):56-60.

[9]王德權(quán), 吳盼, 黃鵬. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2011(6):125-127.

[10]李德芳, 張朝俊, 蔣白樺,等. 面向流程企業(yè)的可配置MES體系結(jié)構(gòu)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(2):352-358.

[11]周偉, 饒運(yùn)清, 邵新宇,等. 基于工作流的裝配車間可配置制造執(zhí)行系統(tǒng)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2009, 28(9):1162-1166.

[12]王炳剛, 周偉, 饒運(yùn)清,等. 裝配流程可配置的制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2007(11):8-12.

[13]胡新元, 鄢萍, 童亮. 基于可配置鏈路驅(qū)動(dòng)的車間信息單元集成[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2012, 18(9):1903-1910.

[14]洪鴻, 張維, 何衛(wèi)平,等. 制造執(zhí)行系統(tǒng)中可配置自動(dòng)采集技術(shù)的研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2009(8):14-18.