金貴陽， 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)對新形勢和挑戰(zhàn)，我國政府提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，服裝行業(yè)也在重點(diǎn)推進(jìn)，國內(nèi)骨干服裝生產(chǎn)制造企業(yè)紛紛試點(diǎn)了智能工廠、無人工廠、數(shù)字化車間等樣板工程。但是，各個制造企業(yè)在建設(shè)數(shù)字化車間時，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，成為一個個信息孤島，在進(jìn)行各系統(tǒng)信息集成和傳輸時需要多次開發(fā)信息集成接口，費(fèi)時費(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)可以直接通過網(wǎng)絡(luò)實現(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，無需再開發(fā)數(shù)據(jù)集成接口，簡化了車間架構(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)互通問題，國內(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個標(biāo)準(zhǔn)，對車間層的設(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時代數(shù)字化車間的一個重要標(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，解決了過去同一系統(tǒng)的信息不能以統(tǒng)一方式被訪問的問題。德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)基于OPC UA標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了多個行業(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，并對其進(jìn)行了互聯(lián)互通測試，對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)車間為對象，研究和實現(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，支持?jǐn)?shù)控機(jī)床設(shè)計、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和時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)技術(shù)開發(fā)了自動化實時智能決策原型平臺，解決自動化系統(tǒng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集及高頻大容量數(shù)據(jù)的實時獲取和傳輸難題。

現(xiàn)有針對OPC UA標(biāo)準(zhǔn)信息模型的研究主要集中在自動化領(lǐng)域、產(chǎn)品或設(shè)備層面的標(biāo)準(zhǔn)信息建模，或者只是針對車間的某個局部進(jìn)行建模，缺乏對整個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，有助于實現(xiàn)毛衫生產(chǎn)的智能化。

1 ISA 95國際標(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)行管理和庫存運(yùn)行管理。對每種功能模型又定義了8種基本活動模型，包含定義管理、資源管理、詳細(xì)計劃、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)語義，采用面向?qū)ο蠛兔嫦蚍?wù)技術(shù)實現(xiàn)不同系統(tǒng)間的安全可靠標(biāo)準(zhǔn)化信息交互。它的對象模型允許將數(shù)據(jù)、報警、事件和歷史數(shù)據(jù)集成到一個OPC UA服務(wù)器的地址空間當(dāng)中。如能夠?qū)⒁粋€溫度測量設(shè)備視為一個具有溫度值、報警參數(shù)和報警極限值的對象，OPC UA服務(wù)器則通過OPC UA服務(wù)(接口和方法)將對象集和相關(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)和對應(yīng)的屬性及建模規(guī)則，在元模型的基礎(chǔ)上，各個行業(yè)組織可以根據(jù)自己的需求制定各個行業(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，每個組件又包含對應(yīng)屬性及其他子組件，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。車間信息模型對應(yīng)整個車間，功能組件集對應(yīng)車間各個功能模塊，資源組件集代表各個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)互通事實上的標(biāo)準(zhǔn)。不同的組織提供了針對各種設(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項目開發(fā)的難度和成本，現(xiàn)在存在的主要問題是開發(fā)人員比較緊缺。隨著國內(nèi)外各大自動化廠商在產(chǎn)品和系統(tǒng)中加入OPC UA功能，如國內(nèi)包括華為技術(shù)有限公司、和利時科技集團(tuán)有限公司、杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(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，未來參與OPC UA開發(fā)的工程師會越來越多。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)互通語義；并針對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)品上試驗集成OPC UA功能，以便對外提供橫機(jī)生產(chǎn)和狀態(tài)相關(guān)的豐富的語義信息。

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、層級結(jié)構(gòu)和對象模型。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，通過網(wǎng)絡(luò)連接毛衫生產(chǎn)過程中的不同單元，對毛衫的生產(chǎn)進(jìn)行計劃、調(diào)度、管理和優(yōu)化，實現(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)過程，分為設(shè)備/控制層、生產(chǎn)執(zhí)行層、企業(yè)業(yè)務(wù)計劃層。生產(chǎn)執(zhí)行層管理毛衫生產(chǎn)過程中的各類業(yè)務(wù)、活動或資產(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)計劃的指導(dǎo)，按照訂單的優(yōu)先級、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)清單等約束對訂單生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行計劃調(diào)度、資源調(diào)配、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等工作，從而實現(xiàn)毛衫生產(chǎn)自動化、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實現(xiàn)不同層級系統(tǒng)、設(shè)備之間的信息集成與交換，如圖2所示。通過OPC UA可實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(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)；車間過程屬性集定義車間的過程動態(tài)數(shù)據(jù)，一般為車間各方面的匯總統(tǒng)計數(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、質(zhì)量統(tǒng)計、庫存統(tǒng)計、維護(hù)統(tǒng)計等對象。

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)行管理過程屬性集定義毛衫產(chǎn)品及其衣片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的信息對象及其數(shù)據(jù)屬性，包括的信息對象有物料請求、加工派工單、作業(yè)實績信息、生產(chǎn)計劃跟蹤等；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)信息模型對象及其屬性集，包括設(shè)備臺賬、工裝臺賬、設(shè)備保養(yǎng)規(guī)范、設(shè)備點(diǎn)檢規(guī)范等信息對象；維護(hù)運(yùn)行管理過程屬性集定義設(shè)備在故障報警、故障報修等過程中產(chǎn)生的故障信息、維護(hù)維修指令和過程記錄數(shù)據(jù)，包含的主要信息對象有設(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)過程中涉及的質(zhì)量檢驗功能相關(guān)的靜態(tài)信息模型對象及其屬性集，包含成品質(zhì)量定義、衣片質(zhì)量定義、缺陷定義、質(zhì)檢計劃等模型對象；質(zhì)量運(yùn)行管理過程屬性集定義成衣、衣片生產(chǎn)過程中涉及的質(zhì)量檢驗過程執(zhí)行及其結(jié)果相關(guān)的過程信息模型對象及其屬性集，包含質(zhì)檢派工單、質(zhì)檢執(zhí)行、質(zhì)檢計劃跟蹤、質(zhì)檢結(jié)果統(tǒng)計等信息對象；質(zhì)量資源組件集包含質(zhì)檢設(shè)備、質(zhì)檢工具、質(zhì)檢人員等信息對象。

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

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。整個數(shù)字化車間由160臺電腦橫機(jī)，30臺縫合機(jī)，86臺自動剪線、倒縫羅拉車，2套智能吊掛系統(tǒng)，2套機(jī)器人自動化生產(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8 000萬元，實現(xiàn)的目標(biāo)是生產(chǎn)過程可控、生產(chǎn)質(zhì)量可控、兼顧生產(chǎn)效率，即通過信息化、數(shù)字化、智能化的生產(chǎn)過程，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、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、采購管理、倉庫管理、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理，通過它們與其他系統(tǒng)產(chǎn)生信息交互，毛衫個性化訂單的生產(chǎn)流程和信息流動如圖4所示。

圖4 毛衫個性化訂單數(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，可以從電商平臺獲取訂單和手工錄入訂單，同時獲取訂單的個性化信息。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ERP系統(tǒng)的物料需求計劃(MRP)模塊結(jié)合PDM系統(tǒng)運(yùn)算，考慮庫存和預(yù)計量生成采購計劃，進(jìn)入采購管理模塊執(zhí)行采購業(yè)務(wù)流程。業(yè)務(wù)(計劃)管理系統(tǒng)內(nèi)部與采購、倉庫、生產(chǎn)MES、銷售、財務(wù)等系統(tǒng)緊密集成，外部與電子商務(wù)平臺、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。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，同時把對應(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，同時相應(yīng)工位的工藝文件自動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，通過加訂水洗標(biāo)與訂單綁定，經(jīng)過洗水—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。整個毛衫生產(chǎn)樣板車間涉及了很多業(yè)務(wù)流程，需要多個系統(tǒng)、多個設(shè)備、多個人員之間協(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)之間高效地實現(xiàn)信息互操作。

5.2 信息模型實例化

整個車間信息模型的實例化示范比較復(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)為對象研究信息模型的實例化。信息模型實例化即將抽象的信息模型實例化為實際的數(shù)據(jù)對象。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、機(jī)器編號、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，過程屬性集包括運(yùn)行信息(在制款號、在制生產(chǎn)單號、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)、報警信息(天線臺斷紗、儲紗器報警、落布檢測錯誤等)、班產(chǎn)信息(班組編號、值班人員、當(dāng)前班組生產(chǎn)時間、當(dāng)前班組停車時間等)，此外還有電腦橫機(jī)子系統(tǒng)的信息模型，包含電動機(jī)系統(tǒng)、編織系統(tǒng)等。信息模型的使用過程就是實例化過程，主要是對電腦橫機(jī)的靜態(tài)屬性集和過程屬性集中的各類信息對象進(jìn)行實例化，本質(zhì)是對電腦橫機(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象及其屬性集的實際數(shù)據(jù)可采用集中式存儲的實現(xiàn)方式，即存儲于一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫；也可以采用分布式存儲的實現(xiàn)方式，將各子信息模型的數(shù)據(jù)存儲于車間內(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)可直接存儲于該設(shè)備自身的控制器中。本文涉及的項目是新建立的車間，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)是地址空間的一個子集；“Objects”對象節(jié)點(diǎn)下面表示了實際設(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、過程屬性信息、各子系統(tǒng)信息，電腦橫機(jī)在毛衫編織過程中，生產(chǎn)相關(guān)的信息都會定時更新到橫機(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)管理功能中的單臺電腦橫機(jī)生產(chǎn)信息監(jiān)控界面，界面中監(jiān)控項目的數(shù)據(jù)來源于電腦橫機(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)行信息和報警信息等部分。車間MES系統(tǒng)采用C#語言，基于Visual Studio和.NET Framework框架設(shè)計開發(fā)，在涉及到電腦橫機(jī)OPC UA服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取時，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)器和客戶端的實現(xiàn)原理，可以實現(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

標(biāo)準(zhǔn)信息模型是實現(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、庫存運(yùn)行管理4個維度，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。介紹了毛衫個性化定制生產(chǎn)流程，鑒于整個生產(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)信息模型實例化和OPC統(tǒng)一架構(gòu)服務(wù)器開發(fā)為例，驗證了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，對其他紡織品生產(chǎn)數(shù)字化車間的建設(shè)也具有參考價值。