柴處處，石春竹，蘭培霖，魏利卓，許井峰，柴琪琪

(1.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京 100083；2.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001；3.中國中車太原機車車輛有限公司，山西 太原 030027)

0 引言

自從2013年德國在漢諾威展會上提出工業(yè)4.0的概念，各個國家相繼出臺了相關政策，我國于2017年提出了《中國制造2025發(fā)展綱要》。世界發(fā)達國家都在加緊部署發(fā)展智能制造，謀求在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中保持領先優(yōu)勢。智能工廠作為一個載體，讓參與智能制造的人、機器、資源能自然地相互溝通和協(xié)作。而制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)構成了智能工廠的核心，將底層自動化控制系統(tǒng)和上層管理系統(tǒng)連接起來。氫燃料電池作為未來新能源的發(fā)展方向，具有良好的發(fā)展前景。在相關政策和技術的支持下，氫燃料電池的商業(yè)化進程加快，相關產(chǎn)業(yè)迅速崛起。為積極應對氫燃料電池復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境，企業(yè)急需采用MES系統(tǒng)變革現(xiàn)有的生產(chǎn)組織和管理模式，實現(xiàn)生產(chǎn)過程管控的數(shù)字化、透明化、精益化，做到生產(chǎn)過程精確、高效、科學的管理。位于MES系統(tǒng)和氫燃料電池自動化產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了二者之間的數(shù)據(jù)交互，并且有安全、實時、高效等優(yōu)點[1]。

1 智能制造對數(shù)據(jù)采集的需求

工業(yè)4.0的核心技術是信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)，它通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化[2]。信息物理系統(tǒng)能夠將感知、計算、通信、控制等信息技術與設計、工藝、生產(chǎn)、裝備等工業(yè)技術融合，能夠將物理實體、生產(chǎn)環(huán)境和制造過程精準映射到虛擬空間并進行實時反饋，能夠作用于生產(chǎn)制造全過程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期，能夠從單元級、系統(tǒng)級到系統(tǒng)之系統(tǒng)(SoS)級不斷深化，實現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)范式的重構[3]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個高度集成、開放和共享的數(shù)據(jù)服務平臺，能夠實現(xiàn)工廠內(nèi)各類裝備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通，以及物料、產(chǎn)品、設備與人的無縫集成，是實現(xiàn)從單個機器、產(chǎn)線、車間到工廠的工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎平臺，支撐數(shù)據(jù)流動，為打造萬物互聯(lián)的世界提供了基礎和前提，是構建智能制造的基石[4]。

2 系統(tǒng)架構

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了MES系統(tǒng)與氫燃料電池自動化產(chǎn)線各種設備之間的實時交互，系統(tǒng)架構設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

3 氫燃料電池MES系統(tǒng)

3.1 相關概念

MES能通過信息傳遞，對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。MES是處于計劃層和車間層操作系統(tǒng)之間的執(zhí)行層，主要負責生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行[5]。

3.2 模塊功能

MES系統(tǒng)分為以下8個模塊：

(1)基礎數(shù)據(jù)：提供物料、產(chǎn)線、產(chǎn)品、員工、部門等基礎資料的維護，是整個制造執(zhí)行系統(tǒng)運行的基礎。

(2)資源管理：對設備和工裝進行基礎數(shù)據(jù)維護、保養(yǎng)管理、故障報修等操作，這些資源是以后進行調(diào)度、派工等工作的基礎，并直接影響生產(chǎn)計劃安排。

(3)生產(chǎn)計劃：新建生產(chǎn)計劃并將計劃下達到車間。

(4)車間調(diào)度：對生產(chǎn)計劃進行調(diào)度，對訂單進行修改、拆分，并將訂單下發(fā)到產(chǎn)線。

(5)作業(yè)執(zhí)行：在產(chǎn)線上對訂單進行開始、停止、工序監(jiān)控等操作，并進行異常的反饋和解除，設備狀態(tài)、任務進度的查詢等操作[6]。

(6)過程質(zhì)量：實現(xiàn)雙向追溯，即物料到產(chǎn)品的追溯，產(chǎn)品到物料、生產(chǎn)批次的追溯[7]。

(7)電子看板：支持各類LED、大屏等顯示終端，對產(chǎn)線的生產(chǎn)任務、直通率、異常等信息進行動態(tài)顯示。

(8)查詢分析：提供各類統(tǒng)計分析功能，提供各類報表、餅圖、柱狀圖等分析報告。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫表設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關鍵的數(shù)據(jù)庫表設計如圖2所示。

圖2 關鍵數(shù)據(jù)庫表設計

4.2 模塊功能

4.2.1網(wǎng)絡通信連接模塊

網(wǎng)絡通信連接模塊的主要功能是根據(jù)產(chǎn)線設備的通信方式，創(chuàng)建并配置該軟件和產(chǎn)線設備進行信息傳遞的通道[8]，例如：如果軟件與設備之間采用基于TCP/IP協(xié)議網(wǎng)線接口，則該模塊會根據(jù)用戶設置創(chuàng)建相應的連接套接字(Socket)用于雙方通信；如果軟件與設備之間采用串行通信接口，則會創(chuàng)建并配置COM口通信。本模塊的任務包括：對本地的網(wǎng)絡接口進行初始化，并創(chuàng)建監(jiān)聽線程，對接入的設備進行監(jiān)聽，建立通信通道。

網(wǎng)絡通信連接模塊需要給其他模塊提供的接口如下：

void AcceptCallBack(IAsyncResult ar)：接收回調(diào)函數(shù)；

void ReadCallback(IAsyncResult ar)：異步接收數(shù)據(jù)的回調(diào)函數(shù)。

4.2.2數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊是在通信已經(jīng)建立的基礎上，異步接收產(chǎn)線設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并根據(jù)不同的協(xié)議進行處理、拆分，將拆分后的數(shù)據(jù)分發(fā)給其他功能模塊。本模塊的任務包括：建立合適大小的接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，并根據(jù)不同的協(xié)議包頭，對數(shù)據(jù)進行截??；將截取的數(shù)據(jù)分發(fā)給相應的模塊進行處理操作。

數(shù)據(jù)接收模塊需要給其他模塊提供的接口如下：

void Decode_Cmd(string strReceive,out int machine_ty,out string Result)：數(shù)據(jù)的解析函數(shù)。

4.2.3數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是在通信已經(jīng)建立的基礎上，實現(xiàn)不同通信的發(fā)送數(shù)據(jù)接口，供其他模塊調(diào)用[9]。本模塊的任務包括：實現(xiàn)網(wǎng)口Socket、串行接口的發(fā)送接口Send();實現(xiàn)發(fā)送消息的功能接口；實現(xiàn)發(fā)送命令的功能接口[10]。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊需要給其他模塊提供的接口如下：

void Send(string msg)：基本的發(fā)送函數(shù)接口；

void SendMessage(string msg):軟件作為客戶端角色的時候使用該接口；

bool Send_Cmd(string strSend,int machine_ty)：軟件作為服務器角色時使用該接口發(fā)送命令。

4.2.4數(shù)據(jù)解析模塊

數(shù)據(jù)解析模塊將從產(chǎn)線接收到的數(shù)據(jù)通過以下四個模塊解析成四類信息：工序信息、設備狀態(tài)信息、報警信息、產(chǎn)品清單信息。

(1)工序信息解析模塊

工序信息解析模塊的主要功能是接收設備上傳的工序數(shù)據(jù)并做解析，生成產(chǎn)品清單號，提取工序開始時間與結束時間，并將工序數(shù)據(jù)記錄存在OperationData表中。

工序信息解析模塊的處理流程如下：

①獲取工序數(shù)據(jù)信息，對工序數(shù)據(jù)進行解析；

②解析獲取工序號、工序開始標識、結束標識、工序檢測結果；

③第一個工序根據(jù)訂單號和流水號，生成產(chǎn)品清單號碼；

④其他工序獲取當前的產(chǎn)品清單號，并將訂單號、工序的開始信息、結束信息、檢測信息寫入OperationData表中。

(2)設備狀態(tài)信息解析模塊

設備狀態(tài)信息解析模塊的主要功能是對解析到的設備狀態(tài)進行處理，并記錄到數(shù)據(jù)庫中。解析獲取設備狀態(tài)信息，與記錄該設備狀態(tài)的全局變量進行比較來判斷該設備的狀態(tài)是否有變化，若有變化，將變化填寫至相應的數(shù)據(jù)庫表(FacilityStatus)中，并更新全局變量的數(shù)值。

設備狀態(tài)信息解析模塊的處理流程如下：

①接收到設備狀態(tài)信息，解析出設備站號、啟停狀態(tài)、運行狀態(tài)、開關機狀態(tài)；

②首次獲取到信息后，將各個設備狀態(tài)記錄到全局對象中；

③將接收到的狀態(tài)與全局對象中記錄的狀態(tài)相比較；

④如果一致，返回處理下一條狀態(tài)數(shù)據(jù)；

⑤若不一致，則在FacilityStatus表中新增加一條狀態(tài)信息，并更新全局對象中的內(nèi)容。

(3)報警信息解析模塊

報警信息解析模塊的主要功能是接收報警數(shù)據(jù)，并對報警數(shù)據(jù)根據(jù)報警信息協(xié)議字段進行解析，同時將解析的報警數(shù)據(jù)進行處理，按照數(shù)據(jù)庫表要求，記錄至數(shù)據(jù)表中。

報警信息解析模塊的處理流程如下：

①接收報警數(shù)據(jù)，解析提取報警ID、報警內(nèi)容、設備站號、解決狀態(tài)；

②根據(jù)報警ID和設備站號，查詢WarningTypeInfo表獲取設備ID；

③根據(jù)報警ID，查詢WarningInfo表中是否已經(jīng)存在該報警；

④否，則將此報警信息插入到WarningInfo中，包含報警類型ID、設備ID、報警內(nèi)容、報警時間、ReadTag為未讀；

⑤是，則判斷解決狀態(tài)是否為已經(jīng)解決；

⑥若是，將此報警信息插入到WarningInfo中，包含報警類型ID、設備ID、報警內(nèi)容、報警解決時間、Read-Tag為未讀；

⑦若否，不做處理，表明該信息已經(jīng)存在，返回處理下一條報警數(shù)據(jù)。

(4)產(chǎn)品清單信息解析模塊

產(chǎn)品清單信息解析模塊的主要功能是獲取產(chǎn)品清單數(shù)據(jù)，解析訂單號、物料二維碼信息、物料類型信息，并生成產(chǎn)品清單號，將信息寫入InstallList數(shù)據(jù)庫表中。

物料二維碼信息的采集可以分為兩種方式，一種是由設備直接提供給服務器，由本采集軟件進行解析；另外一種方式是由設備提供掃碼信號，觸發(fā)軟件進行掃碼，由本軟件直接采集二維碼信息，然后再處理，記錄至數(shù)據(jù)庫中。

4.2.5數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的功能是定時查詢MesInfo表，獲取最新的訂單信息，并將訂單生產(chǎn)信息下發(fā)給產(chǎn)線設備，信息包括訂單號、生產(chǎn)數(shù)量、產(chǎn)品類型和開始生產(chǎn)命令。

本模塊具體處理流程如下：

(1)定時查詢是否有新的生產(chǎn)訂單信息；

(2)若有，將訂單信息發(fā)送給設備開始生產(chǎn)；

(3)若無，繼續(xù)查詢，重復步驟(1)。

4.2.6數(shù)據(jù)庫操作模塊

數(shù)據(jù)庫操作模塊實現(xiàn)了軟件對數(shù)據(jù)庫的讀寫操作功能接口，包括數(shù)據(jù)庫訪問連接的建立，數(shù)據(jù)庫表的增加、刪除、修改、查詢接口函數(shù)，方便對數(shù)據(jù)庫的操作。本模塊的任務包括：實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接建立的函數(shù)接口；實現(xiàn)針對不同數(shù)據(jù)表的增加、刪除、修改、查詢操作的通用接口和部分特定接口；根據(jù)數(shù)據(jù)庫表，建立并初始化數(shù)據(jù)庫表對應的字典類型的對象。

數(shù)據(jù)存儲模塊需要給其他模塊提供的部分接口如下：

public static int InsertDBdate(string Table,string Field,string date)：插入數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)功能接口；

public static int UpdateDB(string Table,string ID,string Field)：更新數(shù)據(jù)庫表；

public static List GetSqlColumnName(string sql)：獲取列名，需要自己寫SQL語句，可以查詢多條；

public static int Insert_Message_into_DB(string Table,string Field,string Values)：數(shù)據(jù)庫中插入信息；

public static DataSet get_message_from_table(string tableName)：獲取信息；

public static DataSet get_message_idTop_from_table (string tableName)：從數(shù)據(jù)庫表中獲取最大ID。

4.2.7日志模塊

日志模塊能夠記錄數(shù)據(jù)采集軟件中發(fā)生的事件信息，根據(jù)這些信息可以進行排錯，并優(yōu)化軟件的性能。

5 結論

為了解決MES系統(tǒng)與氫燃料電池自動化產(chǎn)線的數(shù)據(jù)交互問題，本文提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對實現(xiàn)的系統(tǒng)進行了測試。測試結果表明，該設計實現(xiàn)有效地滿足了數(shù)據(jù)交互的實時性、正確性，具有廣泛的應用前景。