金貴陽(yáng)， 陳 罡， 孫平范

(1. 寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能裝備研究所， 浙江 寧波 315806； 2. 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院， 浙江 寧波 315210；3. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院， 浙江 杭州 310059； 4. 寧波慈星股份有限公司， 浙江 寧波 315336)

為應(yīng)對(duì)新形勢(shì)和挑戰(zhàn)，我國(guó)政府提出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，服裝行業(yè)也在重點(diǎn)推進(jìn)，國(guó)內(nèi)骨干服裝生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛試點(diǎn)了智能工廠、無(wú)人工廠、數(shù)字化車間等樣板工程。但是，各個(gè)制造企業(yè)在建設(shè)數(shù)字化車間時(shí)，都根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求聯(lián)合多家供應(yīng)商構(gòu)建車間的物理信息系統(tǒng)，各個(gè)供應(yīng)商開發(fā)的系統(tǒng)通常采用不同的數(shù)據(jù)格式和定義，成為一個(gè)個(gè)信息孤島，在進(jìn)行各系統(tǒng)信息集成和傳輸時(shí)需要多次開發(fā)信息集成接口，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低，存在極大的人力浪費(fèi)；如果數(shù)字化車間在建設(shè)之前就先定義好交互信息的標(biāo)準(zhǔn)化模型，則制造企業(yè)生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、機(jī)器人等各系統(tǒng)可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通互操作，新設(shè)備或新系統(tǒng)在支持統(tǒng)一協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)信息模型的前提下可以即插即用，無(wú)需再開發(fā)數(shù)據(jù)集成接口，簡(jiǎn)化了車間架構(gòu)，可以大大節(jié)約數(shù)字化車間的開發(fā)成本。

對(duì)于解決車間信息孤島、數(shù)據(jù)異構(gòu)、系統(tǒng)集成與互聯(lián)互通問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界進(jìn)行了廣泛研究和示范應(yīng)用。ISA 95[1]定義了標(biāo)準(zhǔn)化的術(shù)語(yǔ)與模型，旨在解決企業(yè)系統(tǒng)與制造系統(tǒng)集成、車間系統(tǒng)之間的集成難題。機(jī)械信息管理開放系統(tǒng)聯(lián)盟(MIMOSA)組織制定了OSA-EAI[2]與OSA-CBM[3]2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車間層的設(shè)備管理系統(tǒng)信息與功能做了標(biāo)準(zhǔn)化工作。OPC統(tǒng)一架構(gòu)(UA)是工業(yè)4.0時(shí)代數(shù)字化車間的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，制定了復(fù)雜信息建模與安全通信標(biāo)準(zhǔn)，提供了一致、完整的地址空間和服務(wù)模型，解決了過(guò)去同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問(wèn)的問(wèn)題。德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)(VDMA)基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了多個(gè)行業(yè)的伴隨標(biāo)準(zhǔn)[6]，如:VDMA 40010∶2019是關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的信息和通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；VDMA 40100∶2020是關(guān)于機(jī)器視覺的信息和通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)設(shè)備和軟件供應(yīng)商可以在行業(yè)伴隨標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建自身產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和通信接口，便于與外界互操作。禹鑫燚等[7]研究了基于OPC UA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，解決了工廠設(shè)備數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)一監(jiān)控難題。汪松松等[8]基于OPC UA構(gòu)建了針織裝備信息模型，并對(duì)其進(jìn)行了互聯(lián)互通測(cè)試，對(duì)各類針織裝備信息建模提供了很好的指導(dǎo)。李鋒等[9]以平幅連續(xù)生產(chǎn)車間為對(duì)象，研究和實(shí)現(xiàn)了紡織智能染整車間的信息模型，為紡織設(shè)備接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。Liu等[10]采用OPC UA和數(shù)控設(shè)備互聯(lián)通信標(biāo)準(zhǔn)(MTConnect)搭建了數(shù)控機(jī)床的物理信息數(shù)字孿生平臺(tái)，支持?jǐn)?shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和回收等全生命周期階段的優(yōu)化決策。Woonggy等[11]對(duì)工業(yè)監(jiān)視與控制系統(tǒng)做了OPC UA封裝，解決工業(yè)控制系統(tǒng)的多協(xié)議數(shù)據(jù)采集難題。Tiago等[12]使用OPC UA和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)技術(shù)開發(fā)了自動(dòng)化實(shí)時(shí)智能決策原型平臺(tái)，解決自動(dòng)化系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集及高頻大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和傳輸難題。

現(xiàn)有針對(duì)OPC UA標(biāo)準(zhǔn)信息模型的研究主要集中在自動(dòng)化領(lǐng)域、產(chǎn)品或設(shè)備層面的標(biāo)準(zhǔn)信息建模，或者只是針對(duì)車間的某個(gè)局部進(jìn)行建模，缺乏對(duì)整個(gè)車間尤其是毛衫生產(chǎn)車間的完整、通用的信息模型。數(shù)字化車間的信息規(guī)范嚴(yán)重滯后于數(shù)字化車間的實(shí)踐，造成了重復(fù)建設(shè)和浪費(fèi)。本文在ISA 95標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，將OPC UA應(yīng)用于毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間，構(gòu)建了車間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)信息模型，為車間各層級(jí)設(shè)備和系統(tǒng)間的信息交互提供一致的模型和接口，促進(jìn)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間的互聯(lián)互通，有助于實(shí)現(xiàn)毛衫生產(chǎn)的智能化。

1 ISA 95國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)字化車間

ISA 95是企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)，是數(shù)字化車間的重要標(biāo)準(zhǔn)，可以作為車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型的基礎(chǔ)。它將企業(yè)分為5個(gè)層次:L0、L1、L2層為設(shè)備控制層(包括批量、連續(xù)和離散控制);L3為制造執(zhí)行層；L4為業(yè)務(wù)規(guī)劃層。ISA 95對(duì)車間層定義了四大信息模型和四大功能模型：四大信息模型包括定義、能力、計(jì)劃和性能模型，是制造執(zhí)行層與業(yè)務(wù)規(guī)劃層之間交互信息流的基礎(chǔ)；四大功能模型包括生產(chǎn)運(yùn)行管理、維護(hù)運(yùn)行管理、質(zhì)量運(yùn)行管理和庫(kù)存運(yùn)行管理。對(duì)每種功能模型又定義了8種基本活動(dòng)模型，包含定義管理、資源管理、詳細(xì)計(jì)劃、調(diào)度、執(zhí)行、數(shù)據(jù)收集、分析與追蹤。

2 OPC UA信息建模技術(shù)

OPC UA具有很強(qiáng)的信息建模能力，提供了豐富的數(shù)據(jù)語(yǔ)義，采用面向?qū)ο蠛兔嫦蚍?wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的安全可靠標(biāo)準(zhǔn)化信息交互。它的對(duì)象模型允許將數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件和歷史數(shù)據(jù)集成到一個(gè)OPC UA服務(wù)器的地址空間當(dāng)中。如能夠?qū)⒁粋€(gè)溫度測(cè)量設(shè)備視為一個(gè)具有溫度值、報(bào)警參數(shù)和報(bào)警極限值的對(duì)象，OPC UA服務(wù)器則通過(guò)OPC UA服務(wù)(接口和方法)將對(duì)象集和相關(guān)信息開放給OPC UA客戶端。

OPC UA信息模型由節(jié)點(diǎn)組成，基于元模型構(gòu)建，元模型是各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互引用的信息模型基礎(chǔ)。OPC UA元模型定義了8種節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的屬性及建模規(guī)則，在元模型的基礎(chǔ)上，各個(gè)行業(yè)組織可以根據(jù)自己的需求制定各個(gè)行業(yè)的伴隨信息模型，供應(yīng)商可以在伴隨信息模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)特定用例構(gòu)建特定的擴(kuò)展信息模型。本文根據(jù)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間的組織架構(gòu)和內(nèi)部各功能模塊之間信息集成與互聯(lián)互通的要求，建立毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間信息模型。車間信息模型結(jié)構(gòu)包括屬性元素、屬性、屬性集、方法、組件模型和引用，每個(gè)組件又包含對(duì)應(yīng)屬性及其他子組件，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。車間信息模型對(duì)應(yīng)整個(gè)車間，功能組件集對(duì)應(yīng)車間各個(gè)功能模塊，資源組件集代表各個(gè)模塊涉及的各類資源；屬性集表示屬性的集合，屬性是信息模型描述的基本單元，具有固定的結(jié)構(gòu)，用來(lái)描述設(shè)備、組件、屬性集、屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系[13]。

圖1 OPC UA信息模型結(jié)構(gòu)Fig.1 OPC UA information model structure

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，OPC UA已經(jīng)成為生產(chǎn)型企業(yè)設(shè)備層與車間層互聯(lián)互通事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。不同的組織提供了針對(duì)各種設(shè)備和系統(tǒng)的豐富的商業(yè)和開源OPC UA解決方案及開發(fā)工具，可以很大程度上降低OPC UA項(xiàng)目開發(fā)的難度和成本，現(xiàn)在存在的主要問(wèn)題是開發(fā)人員比較緊缺。隨著國(guó)內(nèi)外各大自動(dòng)化廠商在產(chǎn)品和系統(tǒng)中加入OPC UA功能，如國(guó)內(nèi)包括華為技術(shù)有限公司、和利時(shí)科技集團(tuán)有限公司、杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司、浙大中控技術(shù)股份有限公司等均已在其產(chǎn)品和系統(tǒng)中集成了OPC UA功能，未來(lái)參與OPC UA開發(fā)的工程師會(huì)越來(lái)越多。毛衫相關(guān)行業(yè)也已開始應(yīng)用OPC UA相關(guān)技術(shù)，如胡旭東等[4]從2016年就開始制定《針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)通信規(guī)范》系列標(biāo)準(zhǔn)，采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)框架構(gòu)建針織機(jī)械聯(lián)網(wǎng)通信框架；針對(duì)圓緯機(jī)、電腦橫機(jī)、經(jīng)編機(jī)分別構(gòu)建了信息模型，定義針織毛衫等機(jī)械互聯(lián)互通語(yǔ)義；并針對(duì)大量低配置低成本的針織機(jī)械，構(gòu)建OPC UA信息網(wǎng)關(guān)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的底層傳輸模式將其接入OPC UA信息網(wǎng)關(guān)，再將信息統(tǒng)一傳輸給車間層系統(tǒng)。寧波慈星股份有限公司也開始在其全成形橫機(jī)產(chǎn)品上試驗(yàn)集成OPC UA功能，以便對(duì)外提供橫機(jī)生產(chǎn)和狀態(tài)相關(guān)的豐富的語(yǔ)義信息。

3 毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 數(shù)字化車間功能體系

毛衫生產(chǎn)企業(yè)符合ISA 95標(biāo)準(zhǔn)定義的功能體系、層級(jí)結(jié)構(gòu)和對(duì)象模型。毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間以物理車間為載體，以軟件技術(shù)等為方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接毛衫生產(chǎn)過(guò)程中的不同單元，對(duì)毛衫的生產(chǎn)進(jìn)行計(jì)劃、調(diào)度、管理和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)多品種小批量的毛衫定制化生產(chǎn)。

毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間主要涵蓋毛衫生產(chǎn)過(guò)程，分為設(shè)備/控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、企業(yè)業(yè)務(wù)計(jì)劃層。生產(chǎn)執(zhí)行層管理毛衫生產(chǎn)過(guò)程中的各類業(yè)務(wù)、活動(dòng)或資產(chǎn)，如生產(chǎn)運(yùn)行管理、物流運(yùn)行管理、質(zhì)量運(yùn)行管理、維護(hù)運(yùn)行管理等模塊。毛衫生產(chǎn)以生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為核心，根據(jù)企業(yè)資源管理系統(tǒng)(ERP)生產(chǎn)計(jì)劃的指導(dǎo)，按照訂單的優(yōu)先級(jí)、設(shè)備能力、機(jī)器負(fù)荷狀況、物料齊套狀況、設(shè)備毛衫款型適應(yīng)清單等約束對(duì)訂單生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度、資源調(diào)配、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等工作，從而實(shí)現(xiàn)毛衫生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化，減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率，降低管理成本。

3.2 數(shù)字化車間信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

毛衫生產(chǎn)智能數(shù)字化車間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中可使用OPC UA實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)系統(tǒng)、設(shè)備之間的信息集成與交換，如圖2所示。通過(guò)OPC UA可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制設(shè)備之間、控制設(shè)備與MES之間、MES與ERP/PDM/SCM等系統(tǒng)之間可靠有效地信息通信與集成應(yīng)用，降低毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間系統(tǒng)開發(fā)成本，提高運(yùn)行可靠性和方便車間快速重構(gòu)，推動(dòng)毛衫生產(chǎn)車間技術(shù)快速提升。

注：CAPP為智能工業(yè)系統(tǒng)，PDM為產(chǎn)品數(shù)據(jù)工業(yè)系統(tǒng)， ERP為企業(yè)資源管理系統(tǒng)，SCM為供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。圖2 基于OPC UA的毛衫生產(chǎn)車間信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 OPC UA based interconnected network architecture in sweater production digital workshop

4 毛衫生產(chǎn)車間信息模型的構(gòu)建

參考ISA 95和GB/T 37928—2019《數(shù)字化車間 機(jī)床制造 信息模型》，對(duì)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間的集成信息進(jìn)行梳理，采用OPC UA建模方法，得到毛衫車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型,如圖3所示。

該毛衫車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型主要由以下幾部分組成：

1)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間基礎(chǔ)信息模型，包括車間靜態(tài)屬性集和車間過(guò)程屬性集。車間靜態(tài)屬性集定義毛衫生產(chǎn)車間的基礎(chǔ)靜態(tài)數(shù)據(jù)，包括車間基礎(chǔ)定義信息(如車間名稱、車間位置、車間負(fù)責(zé)人等信息)、生產(chǎn)組織(如部門、班組等信息)、產(chǎn)品訂單(MES從ERP系統(tǒng)獲取的訂單信息)；車間過(guò)程屬性集定義車間的過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，一般為車間各方面的匯總統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和車間訂單跟蹤信息，用于向ERP系統(tǒng)反饋，主要包括訂單跟蹤、生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、庫(kù)存統(tǒng)計(jì)、維護(hù)統(tǒng)計(jì)等對(duì)象。

2)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間生產(chǎn)運(yùn)行管理信息模型，包括生產(chǎn)運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和生產(chǎn)資源組件集。生產(chǎn)運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集定義生產(chǎn)過(guò)程中涉及的靜態(tài)信息的集合，包括產(chǎn)品物料清單、產(chǎn)品/衣片生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品/衣片加工工藝、衣片花版文件等；生產(chǎn)運(yùn)行管理過(guò)程屬性集定義毛衫產(chǎn)品及其衣片生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的信息對(duì)象及其數(shù)據(jù)屬性，包括的信息對(duì)象有物料請(qǐng)求、加工派工單、作業(yè)實(shí)績(jī)信息、生產(chǎn)計(jì)劃跟蹤等；生產(chǎn)資源組件集定義毛衫生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備、工裝、人員等的信息模型，包括的信息對(duì)象有電腦橫機(jī)信息、機(jī)器人信息、縫合機(jī)信息、羅拉車信息等。

圖3 毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型架構(gòu)示意圖Fig.3 Information model architecture of sweater production digital workshop

3)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間維護(hù)運(yùn)行管理信息模型，包括維護(hù)運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和維護(hù)資源組件集。維護(hù)運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集定義了設(shè)備的日常管理和維修維護(hù)功能所需的靜態(tài)信息模型對(duì)象及其屬性集，包括設(shè)備臺(tái)賬、工裝臺(tái)賬、設(shè)備保養(yǎng)規(guī)范、設(shè)備點(diǎn)檢規(guī)范等信息對(duì)象；維護(hù)運(yùn)行管理過(guò)程屬性集定義設(shè)備在故障報(bào)警、故障報(bào)修等過(guò)程中產(chǎn)生的故障信息、維護(hù)維修指令和過(guò)程記錄數(shù)據(jù)，包含的主要信息對(duì)象有設(shè)備點(diǎn)檢、設(shè)備保養(yǎng)、設(shè)備故障、設(shè)備維修、設(shè)備績(jī)效等；維護(hù)資源組件集包含維護(hù)工具信息、維護(hù)備件信息、維護(hù)人員信息等信息對(duì)象。

4)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間質(zhì)量運(yùn)行管理信息模型，包括質(zhì)量運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和質(zhì)量資源組件集。質(zhì)量運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集定義毛衫整衣、衣片生產(chǎn)過(guò)程中涉及的質(zhì)量檢驗(yàn)功能相關(guān)的靜態(tài)信息模型對(duì)象及其屬性集，包含成品質(zhì)量定義、衣片質(zhì)量定義、缺陷定義、質(zhì)檢計(jì)劃等模型對(duì)象；質(zhì)量運(yùn)行管理過(guò)程屬性集定義成衣、衣片生產(chǎn)過(guò)程中涉及的質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程執(zhí)行及其結(jié)果相關(guān)的過(guò)程信息模型對(duì)象及其屬性集，包含質(zhì)檢派工單、質(zhì)檢執(zhí)行、質(zhì)檢計(jì)劃跟蹤、質(zhì)檢結(jié)果統(tǒng)計(jì)等信息對(duì)象；質(zhì)量資源組件集包含質(zhì)檢設(shè)備、質(zhì)檢工具、質(zhì)檢人員等信息對(duì)象。

5)毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間庫(kù)存運(yùn)行管理信息模型，包括庫(kù)存運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和庫(kù)存資源組件集。庫(kù)存運(yùn)行管理靜態(tài)屬性集定義數(shù)字化車間運(yùn)行過(guò)程中與物流管理、出入庫(kù)和配送相關(guān)的靜態(tài)信息集合，包含物流基礎(chǔ)信息、物料采購(gòu)計(jì)劃、物料齊套信息、物料生產(chǎn)計(jì)劃等信息對(duì)象；庫(kù)存運(yùn)行管理過(guò)程屬性集定義毛衫生產(chǎn)過(guò)程中涉及的物料分派、出入庫(kù)等動(dòng)態(tài)行為產(chǎn)生的信息對(duì)象及其屬性集，包含物料入庫(kù)、物料出庫(kù)、物料移庫(kù)、物料配送等信息對(duì)象；庫(kù)存資源組件集包含倉(cāng)庫(kù)、物流設(shè)備、物流工具、物流人員等信息對(duì)象。

5 信息模型在毛衫樣板車間中的應(yīng)用

5.1 慈星毛衫生產(chǎn)數(shù)字化樣板車間簡(jiǎn)介

寧波慈星股份有限公司本著“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)新理念，建設(shè)了毛衫智能工廠數(shù)字化樣板車間。整個(gè)數(shù)字化車間由160臺(tái)電腦橫機(jī)，30臺(tái)縫合機(jī)，86臺(tái)自動(dòng)剪線、倒縫羅拉車，2套智能吊掛系統(tǒng)，2套機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線及其他一些輔助設(shè)備等硬件組成。軟件包含CAPP、數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)(CAD/CAM)、PDM、ERP、MES等。數(shù)字化樣板車間軟件、硬件總投資8 000萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是生產(chǎn)過(guò)程可控、生產(chǎn)質(zhì)量可控、兼顧生產(chǎn)效率，即通過(guò)信息化、數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)過(guò)程，盡量減少人工干預(yù)，確保每件定制化產(chǎn)品高效、高質(zhì)、準(zhǔn)時(shí)、可靠地生產(chǎn)。樣板車間的核心是MES系統(tǒng)，其主要模塊包括業(yè)務(wù)管理、采購(gòu)管理、倉(cāng)庫(kù)管理、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理，通過(guò)它們與其他系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，毛衫個(gè)性化訂單的生產(chǎn)流程和信息流動(dòng)如圖4所示。

圖4 毛衫個(gè)性化訂單數(shù)字化車間生產(chǎn)流程Fig.4 Sweater personalized order digital workshop production process

業(yè)務(wù)管理模塊主要管理客戶訂單獲取，可以從電商平臺(tái)獲取訂單和手工錄入訂單，同時(shí)獲取訂單的個(gè)性化信息。訂單的物料清單(BOM)與工藝從CAPP同步生成，BOM用于生產(chǎn)的準(zhǔn)確配料，工藝主要包含織造過(guò)程的工藝路線、工序工藝要求、花版文件等。訂單BOM與工藝維護(hù)完成后，通過(guò)ERP系統(tǒng)的物料需求計(jì)劃(MRP)模塊結(jié)合PDM系統(tǒng)運(yùn)算，考慮庫(kù)存和預(yù)計(jì)量生成采購(gòu)計(jì)劃，進(jìn)入采購(gòu)管理模塊執(zhí)行采購(gòu)業(yè)務(wù)流程。業(yè)務(wù)(計(jì)劃)管理系統(tǒng)內(nèi)部與采購(gòu)、倉(cāng)庫(kù)、生產(chǎn)MES、銷售、財(cái)務(wù)等系統(tǒng)緊密集成，外部與電子商務(wù)平臺(tái)、智能工藝系統(tǒng)集成，將訂單執(zhí)行狀態(tài)信息與出運(yùn)結(jié)算信息傳遞到電子商務(wù)平臺(tái)。生產(chǎn)管理模塊從業(yè)務(wù)管理模塊獲得客戶訂單以及相應(yīng)的加工工藝文件，通過(guò)智能排程系統(tǒng)把生產(chǎn)任務(wù)分發(fā)下達(dá)到電腦橫機(jī)，通過(guò)毛紗配料管理利用智能吊掛系統(tǒng)把不同任務(wù)單的原料紗準(zhǔn)確地送達(dá)相應(yīng)的橫機(jī)機(jī)位，同時(shí)把對(duì)應(yīng)任務(wù)單的花版文件下載到相應(yīng)的橫機(jī)上以準(zhǔn)確地按訂單要求進(jìn)行編織；織片完成后用電子標(biāo)簽(RFID)與訂單綁定，通過(guò)智能吊掛系統(tǒng)根據(jù)不同訂單所設(shè)定的工藝路線依次輸送到相應(yīng)的工位，同時(shí)相應(yīng)工位的工藝文件自動(dòng)下載并在工位液晶屏上顯示以指導(dǎo)該工序工作，在完成片檢—套口—手縫—燈照等工序后，成衣離開吊掛系統(tǒng)進(jìn)入后整理，通過(guò)加訂水洗標(biāo)與訂單綁定，經(jīng)過(guò)洗水—熨整—釘扣—成檢包裝貼條碼，最后打印快遞單發(fā)運(yùn)交付客戶。整個(gè)毛衫生產(chǎn)樣板車間涉及了很多業(yè)務(wù)流程，需要多個(gè)系統(tǒng)、多個(gè)設(shè)備、多個(gè)人員之間協(xié)作完成，系統(tǒng)之間需要交互大量的信息，本文采用構(gòu)建的毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間OPC UA標(biāo)準(zhǔn)信息模型對(duì)樣板車間的信息進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，保證各系統(tǒng)之間高效地實(shí)現(xiàn)信息互操作。

5.2 信息模型實(shí)例化

整個(gè)車間信息模型的實(shí)例化示范比較復(fù)雜，而電腦橫機(jī)是毛衫生產(chǎn)車間最重要的生產(chǎn)設(shè)備，本文以電腦橫機(jī)為對(duì)象研究信息模型的實(shí)例化。信息模型實(shí)例化即將抽象的信息模型實(shí)例化為實(shí)際的數(shù)據(jù)對(duì)象。圖5示出電腦橫機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化信息模型，包括靜態(tài)屬性集、過(guò)程屬性集和部件組件集，受篇幅限制，只畫出了部分模型。靜態(tài)屬性集主要包括橫機(jī)的基本信息(型號(hào)、機(jī)器編號(hào)、機(jī)器名稱、機(jī)器廠家等)、工作參數(shù)(速度表、牽拉拉力表、度目表等)、配置參數(shù)(針距、機(jī)頭類型、牽拉裝置等)、性能參數(shù)(最大編織速度、最大編織幅度、最大密度等)等，過(guò)程屬性集包括運(yùn)行信息(在制款號(hào)、在制生產(chǎn)單號(hào)、顏色、工序、尺碼等)、產(chǎn)量信息(設(shè)定件數(shù)、已織數(shù)量、未織數(shù)量等)、報(bào)警信息(天線臺(tái)斷紗、儲(chǔ)紗器報(bào)警、落布檢測(cè)錯(cuò)誤等)、班產(chǎn)信息(班組編號(hào)、值班人員、當(dāng)前班組生產(chǎn)時(shí)間、當(dāng)前班組停車時(shí)間等)，此外還有電腦橫機(jī)子系統(tǒng)的信息模型，包含電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、編織系統(tǒng)等。信息模型的使用過(guò)程就是實(shí)例化過(guò)程，主要是對(duì)電腦橫機(jī)的靜態(tài)屬性集和過(guò)程屬性集中的各類信息對(duì)象進(jìn)行實(shí)例化，本質(zhì)是對(duì)電腦橫機(jī)信息模型中的各類屬性填入具體的數(shù)據(jù)。

圖5 電腦橫機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化信息模型Fig.5 Standard information model of computerized flat knitting machine

5.3 信息模型應(yīng)用案例

信息模型中定義的對(duì)象及其屬性集的實(shí)際數(shù)據(jù)可采用集中式存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式，即存儲(chǔ)于一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)；也可以采用分布式存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式，將各子信息模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于車間內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)內(nèi)，如CAPP、ERP、PDM、MES等系統(tǒng)，資源設(shè)備的信息模型數(shù)據(jù)可直接存儲(chǔ)于該設(shè)備自身的控制器中。本文涉及的項(xiàng)目是新建立的車間，信息系統(tǒng)可提前規(guī)劃，因此采用分布式存儲(chǔ)方式。采用Open62541開放源代碼在電腦橫機(jī)的控制器中開發(fā)了OPC UA服務(wù)器，將電腦橫機(jī)信息模型加載到OPC UA服務(wù)器地址空間當(dāng)中。電腦橫機(jī)節(jié)點(diǎn)地址空間模型如圖6所示，其中“Root”根節(jié)點(diǎn)是地址空間的入口；“Types”類型節(jié)點(diǎn)包含了服務(wù)器中用到的所有類型節(jié)點(diǎn)；“Views”節(jié)點(diǎn)是地址空間的一個(gè)子集；“Objects”對(duì)象節(jié)點(diǎn)下面表示了實(shí)際設(shè)備信息在地址空間的組織，是地址空間的主體，電腦橫機(jī)信息模型定義的內(nèi)容就包含在此節(jié)點(diǎn)下，如電腦橫機(jī)相關(guān)的靜態(tài)屬性信息、過(guò)程屬性信息、各子系統(tǒng)信息，電腦橫機(jī)在毛衫編織過(guò)程中，生產(chǎn)相關(guān)的信息都會(huì)定時(shí)更新到橫機(jī)OPC UA服務(wù)器的地址空間當(dāng)中，提供給外部系統(tǒng)使用。

電腦橫機(jī)運(yùn)行信息是毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間的數(shù)據(jù)來(lái)源和基礎(chǔ)，有了橫機(jī)OPC UA服務(wù)器，ERP、MES等系統(tǒng)可以通過(guò)OPC UA客戶端方便地獲取電腦橫機(jī)相關(guān)信息。圖7示出毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間MES系統(tǒng)生產(chǎn)管理功能中的單臺(tái)電腦橫機(jī)生產(chǎn)信息監(jiān)控界面，界面中監(jiān)控項(xiàng)目的數(shù)據(jù)來(lái)源于電腦橫機(jī)的OPC UA服務(wù)器，界面中主要顯示了班產(chǎn)信息、訂單信息、產(chǎn)量信息、運(yùn)行信息和報(bào)警信息等部分。車間MES系統(tǒng)采用C#語(yǔ)言，基于Visual Studio和.NET Framework框架設(shè)計(jì)開發(fā)，在涉及到電腦橫機(jī)OPC UA服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取時(shí)，使用UA-NET.Standard客戶端軟件開發(fā)工具包(SDK)編寫相應(yīng)程序，不需深入理解OPC UA服務(wù)器和客戶端的實(shí)現(xiàn)原理，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速搭建。

圖6 電腦橫機(jī)節(jié)點(diǎn)地址空間模型Fig.6 Node address space model of knitting machine

圖7 電腦橫機(jī)單機(jī)看板Fig.7 Information interface of single computerized flat knitting machine

6 結(jié)束語(yǔ)

標(biāo)準(zhǔn)信息模型是實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)備層、控制層、企業(yè)層之間互聯(lián)互通互操作的基礎(chǔ)，本文構(gòu)建了毛衫生產(chǎn)車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用。在OPC統(tǒng)一架構(gòu)元模型的基礎(chǔ)上，給出了車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型層次結(jié)構(gòu)；提出了基于OPC統(tǒng)一架構(gòu)客戶端和服務(wù)器的毛衫生產(chǎn)數(shù)字化車間的信息交互網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為毛衫生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)的語(yǔ)義交互提供了架構(gòu)基礎(chǔ)。從生產(chǎn)運(yùn)行管理、維護(hù)運(yùn)行管理、質(zhì)量運(yùn)行管理、庫(kù)存運(yùn)行管理4個(gè)維度，構(gòu)建了毛衫生產(chǎn)車間的標(biāo)準(zhǔn)信息模型，并將其應(yīng)用于寧波慈星股份有限公司毛衫生產(chǎn)數(shù)字化樣板車間之中。介紹了毛衫個(gè)性化定制生產(chǎn)流程，鑒于整個(gè)生產(chǎn)流程和毛衫生產(chǎn)車間標(biāo)準(zhǔn)信息模型的復(fù)雜性，以電腦橫機(jī)信息模型實(shí)例化和OPC統(tǒng)一架構(gòu)服務(wù)器開發(fā)為例，驗(yàn)證了MES系統(tǒng)與電腦橫機(jī)之間的信息集成與互聯(lián)互通。驗(yàn)證結(jié)果表明，基于OPC統(tǒng)一架構(gòu)的信息建模技術(shù)與交互架構(gòu)，降低了毛衫生產(chǎn)車間數(shù)字化系統(tǒng)集成難度和開發(fā)成本，提高了毛衫生產(chǎn)的效率，對(duì)其他紡織品生產(chǎn)數(shù)字化車間的建設(shè)也具有參考價(jià)值。