高孝天, 胡 敏, 官永安

[1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司, 上海 200063]

0 引 言

低壓電器作為電力系統(tǒng)基礎(chǔ)元件,是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ),現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的勞動密集型生產(chǎn)方式,勞動生產(chǎn)率低,產(chǎn)品不良率高,近年來由于人力成本的上升造成產(chǎn)品利潤率明顯下降。同時,低壓電器是量大、面廣的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)元件,行業(yè)傳統(tǒng)制造模式在產(chǎn)品迭代速度、一致性、可靠性等方面無法滿足“雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)建設(shè)中復(fù)雜多變的市場要求[1],中高端產(chǎn)品缺乏市場競爭力。

隨著國家“制造強國”等戰(zhàn)略的深入推進,低壓電器行業(yè)部分企業(yè)開展了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索,但限于技術(shù)、投入等方面的因素,行業(yè)內(nèi)大部分智能工廠/數(shù)字化車間項目仍以生產(chǎn)裝備的自動化為主,其上的執(zhí)行層與管理層信息系統(tǒng)作為輔助,未能真正應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)全流程數(shù)字化、信息化和智能化,企業(yè)生產(chǎn)制造、庫存、管理等環(huán)節(jié)未能互聯(lián)互通,各系統(tǒng)間形成多個信息孤島,難以實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯、預(yù)測性維護等新模式的應(yīng)用。

本文將面向行業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)過程中統(tǒng)一信息管理需求,建設(shè)形成輕量級的數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通、智能分析與統(tǒng)一展示解決方案,并在行業(yè)企業(yè)中完成試點應(yīng)用,實現(xiàn)對下階段低壓電器行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型手段的有效探索。

1 行業(yè)需求分析

1.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的需求

數(shù)據(jù)泛在感知是數(shù)字化車間建設(shè)的重要條件,當(dāng)前低壓電器車間自動化、信息化水平正快速提升,數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)類型爆炸增長,且廠商分散、協(xié)議眾多。經(jīng)調(diào)研,車間中常用的通信協(xié)議包括各類現(xiàn)場總線協(xié)議、OPC/OPC UA、MT Connect、NC-Link等[2]。同時,還包含監(jiān)控視頻信息、時序數(shù)據(jù)信息等異構(gòu)數(shù)據(jù),傳統(tǒng)方式難以處理。需要實現(xiàn)信息統(tǒng)一采集、匯聚與管理。

1.2 邊緣計算的需求

隨著行業(yè)在設(shè)計、制造、應(yīng)用等全環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)量增加,對邊緣計算的需求也相應(yīng)提升。如行業(yè)對小型斷路器裝配檢測節(jié)拍普遍小于2 s/極,檢測參數(shù)超過10個,涉及5個以上工位,加上對產(chǎn)品精細化追溯、質(zhì)控提升需要,產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),有必要應(yīng)用邊緣計算進行數(shù)據(jù)清洗與本地化分析,以減輕云平臺存儲與計算壓力。

1.3 互聯(lián)互通數(shù)據(jù)增值的需求

在大規(guī)模數(shù)據(jù)采集與邊緣計算的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)信息互聯(lián)互通,挖掘數(shù)據(jù)開發(fā)利用潛力是當(dāng)前行業(yè)數(shù)字化車間發(fā)展方向,將在設(shè)計、制造、檢測、運維等多個方向得到應(yīng)用。以產(chǎn)品質(zhì)量追溯為例,通過制造參數(shù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、物流信息間的信息集成,實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯,并反饋至設(shè)計、工藝、檢測等環(huán)節(jié)。同時,未來定制化生產(chǎn)、供應(yīng)鏈協(xié)同等先進制造模式也對數(shù)據(jù)互聯(lián)互通提出了更高需求。

1.4 統(tǒng)一信息展示需求

在數(shù)字化車間起步建設(shè)階段,從面向生產(chǎn)人員過渡的易用性以及對外展示效果等方面,工廠普遍具有大屏展示需求。而傳統(tǒng)大屏展示方案采用組態(tài)工具構(gòu)建,主要面向工控領(lǐng)域,在生產(chǎn)過程中存在信息密度低、系統(tǒng)笨重等弊端[3]。因此需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺的架構(gòu),提供多樣化、敏捷化的前端開發(fā)能力,實現(xiàn)高效率的信息集成展示[4]。

2 平臺架構(gòu)

低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺架構(gòu)按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一般層級架構(gòu)設(shè)計[5],本平臺開發(fā)內(nèi)容主要集中于數(shù)據(jù)接入層、邊緣層與應(yīng)用層中。低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1中,數(shù)據(jù)接入層為實現(xiàn)工廠多協(xié)議數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、上云;邊緣層為實現(xiàn)所采集信息的邊緣計算與分布式存儲;IaaS層為租賃第三方云服務(wù),提供云服務(wù)器、存儲、運維等能力;PaaS層為以開源解決方案為基礎(chǔ),定制結(jié)合行業(yè)需求的低代碼開發(fā)、機理模型庫等工具化能力;SaaS層為構(gòu)建工廠統(tǒng)一信息管理平臺,實現(xiàn)生產(chǎn)、研發(fā)、能效、設(shè)備、質(zhì)量的統(tǒng)一管理與展示。

3 關(guān)鍵建設(shè)內(nèi)容

基于行業(yè)發(fā)展需求,設(shè)計并完成了低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺的具體功能開發(fā),主要分解為4個主要模塊。

3.1 低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口模塊

面向行業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)采集接入需求,開發(fā)低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口模塊,主要內(nèi)容包括:

(1) 梳理不同廠家設(shè)備的通信協(xié)議要求,開發(fā)大范圍、深層次的實時數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件。實現(xiàn)各設(shè)備間通過Modbus-TCP、DeviceNet等現(xiàn)場總線通信協(xié)議的兼容集成,實現(xiàn)不同制造功能、定制化程度高、通信協(xié)議復(fù)雜設(shè)備的同時接入,保障各類設(shè)備信息穩(wěn)定傳輸。

(2) 針對目前生產(chǎn)設(shè)備主流采用的OPC協(xié)議,建立OPC Server,實現(xiàn)數(shù)據(jù)向外部系統(tǒng)的統(tǒng)一傳送。所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件可靈活配置各PLC設(shè)備的設(shè)置信息,并添加對應(yīng)PLC設(shè)備的傳感器或寄存器。

(3) 通過中間件、共享數(shù)據(jù)庫等模式結(jié)合,實現(xiàn)車間設(shè)備、系統(tǒng)向統(tǒng)一信息管理平臺的數(shù)據(jù)傳送。

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,針對平臺在低壓電器車間應(yīng)用的需求,項目基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6],歸納整理了低壓電器產(chǎn)線設(shè)備的典型數(shù)據(jù)字段,形成產(chǎn)品制造過程數(shù)據(jù)字典。

基于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)字典,實現(xiàn)了不同品牌型號設(shè)備同一數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,支撐后續(xù)對生產(chǎn)過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分析、提煉,并在優(yōu)化作業(yè)流程、整合產(chǎn)線資源、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮積極作用。低壓電器產(chǎn)線數(shù)據(jù)字典(部分示意)如表1所示。

3.2 低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)邊緣計算模塊

開發(fā)邊緣計算模塊,實現(xiàn)了對于采集數(shù)據(jù)點靈活配置計算表達式,并在邊緣側(cè)完成自動計算。具體包括以下幾方面的功能:① 邊緣計算數(shù)據(jù)顯示,即可在相應(yīng)視圖查詢到實時的計算值及計算時間。② 計算表達式配置,即可添加計算表達式,按照一定規(guī)則填寫相應(yīng)的計算表達式；支持算術(shù)運算符、比較表達式、布爾邏輯運算等。③ 變量綁定,即可對采集的數(shù)據(jù)進行變量綁定,形成新的虛擬變量,實現(xiàn)表達式間的嵌套與復(fù)雜計算;計算周期設(shè)置,即可對具體某個表達式的邊緣計算周期進行設(shè)置,滿足不同需求。

在低壓電器數(shù)字化車間使用中,可通過邊緣計算實現(xiàn)產(chǎn)品合格率、設(shè)備稼動率等指標(biāo)的統(tǒng)計等功能,減輕云平臺計算壓力。項目采用的部分邊緣計算公式如表2所示。

表2 項目采用的部分邊緣計算公式

3.3 低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量追溯及設(shè)備管理模塊

項目前期開展了行業(yè)技術(shù)調(diào)研,應(yīng)用適應(yīng)低壓電器行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、主要產(chǎn)品的編碼規(guī)則與信息架構(gòu),建立標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)模板,實現(xiàn)工廠內(nèi)部編碼數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與追溯[7]。

基于編碼系統(tǒng),開發(fā)了低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量分析及追溯模塊,實現(xiàn)產(chǎn)品的唯一編碼,可根據(jù)產(chǎn)品ID查詢產(chǎn)品質(zhì)量信息,提升車間制造信息與運維信息可追溯化水平,支撐產(chǎn)品全生命周期管理。產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的信息主要包括:零部件追溯信息、生產(chǎn)制造過程參數(shù)、設(shè)備信息、人員信息、在線調(diào)試數(shù)據(jù)、設(shè)備在線檢測數(shù)據(jù)、質(zhì)量狀態(tài)等。

同時,項目開發(fā)了低壓電器數(shù)字化車間設(shè)備管理子模塊,根據(jù)統(tǒng)一規(guī)則對各設(shè)備/傳感器進行唯一編碼,實現(xiàn)各設(shè)備的精確定位、信息管理等功能。

3.4 低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺

項目開發(fā)了基于Spring Cloud架構(gòu)的云端低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺,可匯總邊緣計算形成的數(shù)據(jù)并開展大數(shù)據(jù)分析處理。

(1) 完成對車間生產(chǎn)設(shè)備、ERP企業(yè)資源管理計劃系統(tǒng)、MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、PLM產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)、WMS倉庫管理系統(tǒng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成。

(2) 基于數(shù)據(jù)經(jīng)過一定邏輯的整合、梳理、分析,形成車間訂單/工單信息概覽、財務(wù)信息概覽、倉儲信息概覽、研發(fā)進度概覽、生產(chǎn)信息概覽等頁面。

(3) 綜合各概覽頁面信息,形成數(shù)字化車間駕駛艙,實現(xiàn)工廠設(shè)備、產(chǎn)品生產(chǎn)全制程數(shù)據(jù)的管理與追溯。

(4) 完成對多終端定制開發(fā)的適配,支持大屏展示、車間看板、移動端App等不同層級需求,滿足車間信息高效分享、用戶反饋快速響應(yīng)的需求。

4 應(yīng)用案例

2018～2021年,在某合作企業(yè)塑殼斷路器數(shù)字化車間完成統(tǒng)一信息平臺的應(yīng)用。該車間為100 A殼架塑殼斷路器手工裝配、自動化檢測車間。車間前期已實現(xiàn)了自動化裝備、MES、ERP、WMS等分項系統(tǒng)建設(shè)。基于提升車間數(shù)據(jù)利用水平,挖掘提質(zhì)降本增效潛力的需求,開展了統(tǒng)一信息管理平臺的建設(shè)應(yīng)用。塑殼斷路器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺示范架構(gòu)如圖2所示。

圖2 塑殼斷路器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺示范架構(gòu)

下面,對項目各軟件模塊應(yīng)用情況進一步說明。

(1) 數(shù)據(jù)采集:在塑殼斷路器自動化裝配及在線檢測單元設(shè)備管理工控機中部署數(shù)據(jù)采集模塊,搭建OPC Server,實現(xiàn)以統(tǒng)一的方式訪問各現(xiàn)場PLC,并將塑殼斷路器生產(chǎn)及測試過程中的數(shù)據(jù)采集存儲。

(2) 邊緣計算:在塑殼斷路器自動化裝配及在線檢測單元設(shè)備管理工控機中部署設(shè)備側(cè)邊緣計算模塊,就近提供邊緣智能服務(wù),提供生產(chǎn)裝備運行數(shù)據(jù)的處理功能,如合格率、稼動率、生產(chǎn)效率、設(shè)備運行狀態(tài)統(tǒng)計等計算,實現(xiàn)只向統(tǒng)一信息平臺上傳關(guān)鍵數(shù)據(jù)。各條產(chǎn)線完整數(shù)據(jù)分別存儲于本產(chǎn)線的分布式數(shù)據(jù)庫中,可在云端調(diào)用并整合關(guān)鍵數(shù)據(jù),指導(dǎo)串行生產(chǎn)線的協(xié)作,并行生產(chǎn)線的訂單完成與分配等。

(3) 設(shè)備管理及產(chǎn)品追溯:完成車間現(xiàn)場的主要生產(chǎn)設(shè)備在系統(tǒng)中的注冊,分配唯一設(shè)備ID,可通過系統(tǒng)網(wǎng)頁鏈接實時查看各設(shè)備的狀態(tài)、數(shù)據(jù),并配置設(shè)備的采集參數(shù)。產(chǎn)品追溯中存儲關(guān)鍵測試參數(shù)、在線測試結(jié)果等信息,可用于后續(xù)產(chǎn)品全生命周期健康分析,并對高價值產(chǎn)品實現(xiàn)一物一碼追溯。

(4) 統(tǒng)一信息展示:在統(tǒng)一信息展示中實現(xiàn)對底層生產(chǎn)設(shè)備、車間MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的匯總,可提供生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、設(shè)備管理等信息展示。完成相關(guān)信息在車間辦公室大屏、產(chǎn)線看板上的分級、分類展示。

示范項目完成了接入并展示的信息。統(tǒng)一信息平臺示范接入信息表如表3所示。

表3 統(tǒng)一信息平臺示范接入信息表

通過本平臺建設(shè),在企業(yè)中實現(xiàn)了車間各設(shè)備、各系統(tǒng)間信息的全面采集、整合利用與統(tǒng)一展示,實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)及質(zhì)量檢測的信息化、實時監(jiān)控、邊緣計算、產(chǎn)品追溯、運維管理等一系列功能。據(jù)示范企業(yè)提供數(shù)據(jù)測算,在上線本平臺3個月后,企業(yè)生產(chǎn)效率提升5%以上,管理成本節(jié)省10%以上。

5 結(jié) 語

本項目完成了低壓電器工廠統(tǒng)一信息平臺的開發(fā)與應(yīng)用,有效實現(xiàn)了工廠層面的全制程數(shù)據(jù)采集、分析、管理,有望解決國內(nèi)低壓電器生產(chǎn)制造企業(yè)普遍存在的信息化程度偏低、各系統(tǒng)間相對獨立、數(shù)據(jù)利用率低等難點,加速低壓電器行業(yè)從傳統(tǒng)手工制造向信息化制造的轉(zhuǎn)變,對行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有較好的示范引領(lǐng)作用。

未來將在本項目成果基礎(chǔ)上,持續(xù)擴大平臺規(guī)模與覆蓋面,實現(xiàn)跨企業(yè)的共享信息云平臺,最終建立起聯(lián)通全行業(yè)的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同制造機制,預(yù)期將在供應(yīng)鏈優(yōu)化協(xié)同、遠程運維與服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮更大價值。