高世平，曹錦江，杜欣如，趙建峰，張建華

(南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211112)

0 前言

工業(yè)4.0的提出極大推動(dòng)了制造業(yè)信息化迅速發(fā)展，制造業(yè)自動(dòng)化、信息化水平不斷提高，越來越多的制造企業(yè)采用自動(dòng)化生產(chǎn)線的方式從事生產(chǎn)制造活動(dòng)。車間自動(dòng)化設(shè)備也更加多元化，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控加工設(shè)備、AGV小車、嵌入式系統(tǒng)設(shè)備等。底層設(shè)備的多元化也給車間數(shù)據(jù)采集與傳輸帶來了難題[1]?，F(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出設(shè)備越來越復(fù)雜、設(shè)備間多子系統(tǒng)的復(fù)雜控制過程的特點(diǎn)，不同子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)格式不同、通信協(xié)議不同、處理過程不同阻礙了實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)交換。被動(dòng)的集成不同廠商設(shè)備接口協(xié)議，增加了系統(tǒng)的開發(fā)難度及延長了開發(fā)周期，阻礙了制造企業(yè)信息化的建設(shè)。為了解決這一問題，設(shè)備制造商需要提供統(tǒng)一的設(shè)備協(xié)議，OPC(OLE for Process Control)規(guī)范由此誕生。OPC技術(shù)通常采用C/S模式，支持TCP/IP協(xié)議及遠(yuǎn)程調(diào)用。利用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法將不同廠家、不同規(guī)格型號(hào)的智能設(shè)備，通過工業(yè)控制軟件進(jìn)行通信連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[2]。宋庭新和李軻[3]將OPC技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過OPC技術(shù)與機(jī)器人ROS系統(tǒng)相結(jié)合，獲取機(jī)器人的狀態(tài)、異常情況、各關(guān)節(jié)電機(jī)的速度等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了車間工業(yè)機(jī)器人的在線監(jiān)測方法。盧志遠(yuǎn)等[4]將OPC技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工檢測中，利用數(shù)控加工中刀具磨損與切削力、震動(dòng)、溫度等因素的相關(guān)性來間接測量刀具的磨損量，實(shí)現(xiàn)了加工過程中刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測方法。

為了簡化企業(yè)管理流程，提高生產(chǎn)效率，一個(gè)穩(wěn)定、可靠、高效的監(jiān)控系統(tǒng)是不可或缺的。大部分企業(yè)車間監(jiān)測系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)模式，這些監(jiān)測系統(tǒng)資源共享和各部門間協(xié)同性能差，不支持循環(huán)周期長的管理項(xiàng)目[5]。對(duì)于車間生產(chǎn)管理缺少可視化展示，主要通過圖紙以及各類監(jiān)測數(shù)據(jù)來反映工程實(shí)際運(yùn)行情況[6]。導(dǎo)致管理人員不能直觀看到車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，不能及時(shí)了解生產(chǎn)情況，直接影響整個(gè)企業(yè)的工作效率。張本宏和王新[7]將B/S架構(gòu)引入汽車遠(yuǎn)程診斷，車載終端通過3G網(wǎng)絡(luò)向汽車遠(yuǎn)程診斷服務(wù)器提起連接請(qǐng)求，服務(wù)器通過在線診斷并實(shí)時(shí)把診斷結(jié)果傳送給車載終端，車載人員通過相關(guān)故障碼就可以判斷車輛故障。帥義等人[8]將B/S架構(gòu)引入石油管道檢測過程中，通過建立數(shù)據(jù)模型、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫等手段，實(shí)現(xiàn)了石油管道完整性管理系統(tǒng)，系統(tǒng)具備高后果區(qū)識(shí)別、完整性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等功能，可以多部門、多用戶同時(shí)訪問，響應(yīng)速度快。

綜上所述，基于OPC技術(shù)及B/S架構(gòu)技術(shù)的可視化系統(tǒng)已經(jīng)取得了一定的研究成果。通過OPC技術(shù)做好自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理以及搭建合適的數(shù)據(jù)模型，是實(shí)現(xiàn)可視化的重點(diǎn)。將B/S架構(gòu)應(yīng)用到企業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)顯示，在提高企業(yè)的管理效率和水平方面具有重要的意義[9]。本文作者根據(jù)制造單元的特點(diǎn)，開發(fā)出可視化監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過圖表形式對(duì)設(shè)備的狀態(tài)檢測、訂單詳情、倉儲(chǔ)情況以及生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，能夠?qū)ζ髽I(yè)制造車間的智能化管理提供幫助。

1 制造單元框架結(jié)構(gòu)

1.1 制造單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

制造單元系統(tǒng)主要由6 個(gè)部分組成：加工區(qū)、分揀區(qū)、裝配區(qū)、倉儲(chǔ)區(qū)、中控區(qū)及云平臺(tái)。加工區(qū)主要由數(shù)控加工中心、數(shù)控車床以及上下料機(jī)器人組成。分揀區(qū)主要由并聯(lián)機(jī)器人和智能相機(jī)組成。分揀區(qū)的智能相機(jī)可以通過顏色、外形等方法來識(shí)別、篩選和檢驗(yàn)零件。裝配區(qū)主要由 2 臺(tái)串聯(lián)機(jī)器人組成，通過機(jī)器人的插入旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作完成零件的協(xié)同裝配。倉儲(chǔ)區(qū)主要由1臺(tái)三軸直角機(jī)器人和立體倉庫等設(shè)備組成。各區(qū)之間通過傳送帶進(jìn)行連接，通過變頻器滿足各部分速度控制需求。中控區(qū)主要由本地服務(wù)器、MES系統(tǒng)和可視化看板組成，MES 系統(tǒng)用于現(xiàn)場信息管理，本地服務(wù)器用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程服務(wù)器與云平臺(tái)連接，可視化看板可用于車間現(xiàn)場展示。云平臺(tái)包括云服務(wù)器及遠(yuǎn)程可視化，云服務(wù)器負(fù)責(zé)接收本地服務(wù)器過程數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理及保存，為遠(yuǎn)程可視化提供數(shù)據(jù)支撐。遠(yuǎn)程可視化可用于企業(yè)管理人員或與企業(yè)管理網(wǎng)站相結(jié)合[10]。制造單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)框架

根據(jù)小型制造單元遠(yuǎn)程可視化要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)框架[11]。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)框架為4層結(jié)構(gòu)，包括設(shè)備層、接口協(xié)議層、數(shù)據(jù)層及管理層，具體如圖2所示。

設(shè)備層是車間自動(dòng)化生產(chǎn)線的資源層，包括加工設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、AGV小車、嵌入式設(shè)備和立體倉庫等。加工設(shè)備主要是根據(jù)工藝的設(shè)計(jì)要求完成零件的加工，工業(yè)機(jī)器人主要是完成裝夾、篩選、裝備等工作，AGV小車及立體倉庫可以配合完成物料的存取工作，嵌入式設(shè)備主要是完成整個(gè)自動(dòng)化線及制造單元的控制工作。設(shè)備層是完成生產(chǎn)活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)體基礎(chǔ)。

接口協(xié)議層是根據(jù)設(shè)備的接口及協(xié)議情況，確定采集數(shù)據(jù)的方式。接口主要包括以太網(wǎng)、485接口、串口等。通信協(xié)議主要包括OPC協(xié)議、MODBUS協(xié)議、企業(yè)專用協(xié)議等。數(shù)據(jù)采集及可視化的前提是根據(jù)各設(shè)備的接口及協(xié)議獲取所需的過程數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)層是把數(shù)據(jù)進(jìn)行打包分類，分成設(shè)備、倉儲(chǔ)、零件的數(shù)量及質(zhì)量等。從設(shè)備的運(yùn)行情況、倉儲(chǔ)的出入庫記錄、零件的數(shù)量及質(zhì)量來展示車間的生產(chǎn)過程。

管理層是整個(gè)框架的頂端，功能是對(duì)經(jīng)過處理的制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、展示。用戶可以通過可視化看板實(shí)時(shí)了解車間的生產(chǎn)狀況。除了車間的可視化看板外，還可以通過網(wǎng)頁遠(yuǎn)程瀏覽車間實(shí)際生產(chǎn)情況。

1.3 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

制造單元是由控制PLC、傳感器、數(shù)控加工設(shè)備、機(jī)器人等設(shè)備構(gòu)成，控制PLC負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制制造單元運(yùn)轉(zhuǎn)，其中可視化需要的數(shù)據(jù)大部分是由控制PLC產(chǎn)生，控制PLC使用羅克韋爾公司的L24、L36以及Micro850系列，PLC可以很方便地通過以太網(wǎng)接口以及OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。數(shù)控加工設(shè)備在制造單元中起著重要的作用，數(shù)控加工設(shè)備使用的是FANUC0iF系列數(shù)控車床及加工中心，而FANUC數(shù)控裝置采用專用FOCAS協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

控制PLC是制造單元的核心，其數(shù)據(jù)采集是可視化最重要的部分。OPC技術(shù)是基于客戶端服務(wù)器架構(gòu)，選用第三方OPC服務(wù)器KEPServerEX實(shí)現(xiàn)PLC的數(shù)據(jù)采集。在OPC服務(wù)器中，分別選擇設(shè)備的品牌、設(shè)備名稱及通道進(jìn)行基本配置，其中L24、L3系列PLC選用TCP/IP Ethernet通道，Micro850系列的PLC選擇Modbus TCP/IP Ethernet通道。對(duì)于TCP/IP Ethernet通道，服務(wù)器通過標(biāo)簽與PLC數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)；而對(duì)于Modbus TCP/IP Ethernet通道，服務(wù)器通過Modbus映射地址對(duì)應(yīng)。對(duì)應(yīng)OPC服務(wù)器配置畫面如圖3所示。

在項(xiàng)目中采集數(shù)據(jù)，需要編寫對(duì)應(yīng)的客戶端程序。客戶端程序采用C#語言調(diào)用Interop.OPCAutomation.dll動(dòng)態(tài)鏈接庫，依次讀取配置文件、創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象、與服務(wù)器進(jìn)行連接，然后判斷連接是否成功；如果連接成功，向服務(wù)器添加數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，接著獲取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、寫入節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

服務(wù)器提供一套獲取數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)機(jī)制，即采用訂閱方式從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。設(shè)備端數(shù)據(jù)狀態(tài)發(fā)生變化，服務(wù)器會(huì)自動(dòng)通過DataChange函數(shù)傳回改變后的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)?？刂泼钔ㄟ^OPC的異步寫命令完成，當(dāng)客戶端向服務(wù)器發(fā)送寫入數(shù)據(jù)請(qǐng)求后,不用等待消息的返回就可以進(jìn)行其他事務(wù)的處理, 在這種方式下,數(shù)據(jù)訪問效率更高。客戶端程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

數(shù)控機(jī)床是制造企業(yè)不可或缺的制造設(shè)備，其數(shù)據(jù)采集也是可視化很重要的組成部分。數(shù)控機(jī)床選用FANUC0iF系列數(shù)控車床及加工中心，F(xiàn)OCAS動(dòng)態(tài)鏈接庫是FANUC公司提供給用戶針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的一組API函數(shù)，支持HSSB和Ethernet 2種連接方式，數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖5所示。函數(shù)能采集數(shù)控系統(tǒng)的工作模式、主軸信息、伺服信息、CNC文件信息、程序信息、刀具參數(shù)、管理信息、歷史信息、PMC信息和報(bào)警等信息的數(shù)據(jù)，監(jiān)控畫面如圖6所示。

2 可視化

數(shù)據(jù)可視化本質(zhì)上是提取數(shù)據(jù)信息生成圖表，而將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析就變得十分重要。對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析、設(shè)計(jì)模型，結(jié)合遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，在數(shù)據(jù)庫中建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，以便可視化系統(tǒng)能夠直觀地體現(xiàn)車間運(yùn)行狀態(tài)?？梢暬到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架主要由C/S結(jié)構(gòu)和B/S 結(jié)構(gòu)。采用 C/S 結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、交互能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但在安裝、維護(hù)與管理方面的難度大。B/S架構(gòu)是對(duì) C/S結(jié)構(gòu)升級(jí)創(chuàng)新，具有維護(hù)簡單和共享性強(qiáng)的特性。文中采用基于B/S架構(gòu)來開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶僅需要通過在瀏覽器輸入對(duì)應(yīng)域名或IP地址，就可以訪問到服務(wù)器的數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)掌握車間的生產(chǎn)狀態(tài)。

2.1 數(shù)據(jù)模型的建立

將車間生產(chǎn)活動(dòng)抽象表示為車間資源數(shù)據(jù)模型，車間資源數(shù)據(jù)模型由多個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)模型組成，主要包括設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)表、加工狀態(tài)數(shù)據(jù)表、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表等。根據(jù)車間資源數(shù)據(jù)模型，對(duì)生產(chǎn)過程中資源對(duì)象、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)名稱及數(shù)據(jù)類型進(jìn)行描述，如圖7所示。車間資源數(shù)據(jù)模型包含多個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)模型，每個(gè)對(duì)象數(shù)據(jù)模型都有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，每張數(shù)據(jù)表可以包含若干個(gè)條目，條目包括數(shù)據(jù)的編號(hào)、名稱、類型、數(shù)值等。

2.2 可視化網(wǎng)絡(luò)框架

可視化網(wǎng)絡(luò)框架主要由本地服務(wù)器、本地可視化看板、云服務(wù)以及遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控客戶端組成。本地服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)的控制軟件采用C#語言，基于．NET Framework 平臺(tái)開發(fā)，直接使用C#模擬HTTP協(xié)議發(fā)送post或get請(qǐng)求，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。云服務(wù)器的后臺(tái)程序解析數(shù)據(jù)包提取有效信息，再通過SQL技術(shù)保存到數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。

遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控客戶端是由瀏覽器構(gòu)成，通過web服務(wù)器程序獲取數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)圖表的顯示。云服務(wù)器可以租用阿里、騰訊以及華為的ECS云服務(wù)器，在服務(wù)器端安裝SQL數(shù)據(jù)庫，搭建服務(wù)器環(huán)境；也可以使用花生殼等裝置實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透，搭建自己的服務(wù)器。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.3 可視化技術(shù)

遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)，依托網(wǎng)頁來實(shí)現(xiàn)可視化的展示。使用 HTML建立自己的web網(wǎng)站，網(wǎng)站運(yùn)行在瀏覽器上并由瀏覽器來解析。HTML是web程序的前端，負(fù)責(zé)頁面內(nèi)容的展示，一般處理程序是web程序的后臺(tái)，負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以及邏輯運(yùn)算。前臺(tái)通過ajax技術(shù)異步獲取后臺(tái)數(shù)據(jù)，后臺(tái)通過Request來獲得前臺(tái)發(fā)過來的數(shù)據(jù)，根據(jù)前臺(tái)的請(qǐng)求內(nèi)容，獲取數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)表中內(nèi)容，并轉(zhuǎn)換成JSON格式，再經(jīng)過Response反饋到前臺(tái)。網(wǎng)頁的可視化可以通過柱狀圖、折線圖、餅圖等來展示，主要使用的是百度公司提供的ECHARTS控件，通過配置需要顯示的數(shù)據(jù)以及顯示格式，非常方便。

2.4 可視化展示

可視化主要解決了制造單元常規(guī)運(yùn)行管理，包括了設(shè)備狀態(tài)的檢測、訂單情況、訂單百分比的顯示、毛坯及產(chǎn)品庫存情況以及制造單元生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。通過圖表、餅圖、柱狀圖、折線圖等多種方式，直觀地展示了制造單元的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備狀態(tài)檢測，通過紅黃綠指示燈，分別表示設(shè)備處于故障、待機(jī)維修、正常運(yùn)行3種狀態(tài)。通過指示燈的顏色，再到左邊對(duì)應(yīng)設(shè)備名稱查看對(duì)應(yīng)關(guān)系，管理者就能很方便地查看設(shè)備狀態(tài)。通過表格及餅圖，管理者能夠通過可視化看板，看到下單時(shí)間、下單各產(chǎn)品件數(shù)以及各產(chǎn)品之間百分比。通過毛坯庫存、產(chǎn)品庫存，管理者就能了解到毛坯剩余情況、產(chǎn)品貨架剩余空間。生產(chǎn)數(shù)據(jù)只展示了企業(yè)一天生產(chǎn)目標(biāo)曲線，用紅色來表示。綠色表示實(shí)際生產(chǎn)過程的曲線，管理者通過大屏能夠清晰地了解到企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)情況，不需要下車間看記錄，極大地方便了企業(yè)的管理，可視化看板如圖9所示。

3 結(jié)論

研究表明：將 OPC、SQL、B/S架構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控系統(tǒng)是可行的，能夠直觀地顯示出制造單元中設(shè)備狀態(tài)、訂單詳情、倉儲(chǔ)情況以及實(shí)際生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。提出系統(tǒng)的總體技術(shù)框架，通過分析底層設(shè)備的接口以及各通信協(xié)議的特點(diǎn)，提出基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方案，并通過PLC、數(shù)控加工設(shè)備進(jìn)行舉例分析，驗(yàn)證技術(shù)框架的可行性。結(jié)合制造單元結(jié)構(gòu)與檢測特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)處理得到可視化需要的數(shù)據(jù)模型，并基于SQL技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取，為遠(yuǎn)程可視化提供數(shù)據(jù)支撐。通過網(wǎng)頁前后臺(tái)技術(shù)以及Echarts技術(shù)，把數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)圖形化展示到網(wǎng)頁上，讓管理者和操作者對(duì)生產(chǎn)過程一目了然，為企業(yè)制造車間管理提供了參考。