常州百利鋰電智慧工廠有限公司 陳 玉

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展，新能源行業(yè)已逐漸成為全球經(jīng)濟(jì)的重要支柱。其中，鋰電正極材料由于其在儲(chǔ)能技術(shù)中的關(guān)鍵作用，需求量激增。面臨這一市場(chǎng)環(huán)境，大型材料生產(chǎn)商規(guī)劃產(chǎn)能從數(shù)萬噸擴(kuò)展到數(shù)十萬噸，以滿足市場(chǎng)需求。傳統(tǒng)的自動(dòng)化工廠架構(gòu)已無法滿足這一需求。一些企業(yè)試圖通過引入MES 系統(tǒng)來解決問題，但由于MES 廠家對(duì)工藝的理解不足，實(shí)施結(jié)果一般不能滿足企業(yè)的預(yù)期。因此，如何利用現(xiàn)有的SCADA 系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)施一個(gè)能滿足企業(yè)生產(chǎn)管理需求的車間級(jí)生產(chǎn)管控平臺(tái)，成為一個(gè)亟待解決的問題。

2 SCADA 系統(tǒng)與生產(chǎn)管控的關(guān)聯(lián)性研究

2.1 SCADA 系統(tǒng)的基本概念及特性

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）是一種用于工業(yè)生產(chǎn)管理的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)獲取、處理并顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和操作控制。作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部分，SCADA 系統(tǒng)能有效集成各種生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)，提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時(shí)降低成本。

SCADA 系統(tǒng)具有幾個(gè)關(guān)鍵特性：一是實(shí)時(shí)性，能提供及時(shí)準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，助力決策；二是可靠性，通過故障診斷和備份恢復(fù)功能保證穩(wěn)定運(yùn)行；三是開放性，支持多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)庫，便于與其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和集成；四是可擴(kuò)展性，能隨生產(chǎn)需求變化進(jìn)行功能增加或修改；五是可視化，通過直觀的圖形用戶界面清晰展示生產(chǎn)狀態(tài)和參數(shù)。

2.2 生產(chǎn)管控的重要性及其與SCADA 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性

生產(chǎn)管控是指對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的組織、指揮和調(diào)度，確保生產(chǎn)活動(dòng)按照預(yù)定的目標(biāo)和計(jì)劃進(jìn)行，在企業(yè)運(yùn)營(yíng)中起著至關(guān)重要的作用。好的生產(chǎn)管控不僅可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，減少生產(chǎn)成本，而且可以提高客戶滿意度，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

與SCADA 系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性在于，SCADA 系統(tǒng)能夠提供生產(chǎn)管控所需的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，幫助決策者理解生產(chǎn)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和策略。另外，SCADA 系統(tǒng)的控制功能也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和過程的自動(dòng)控制，降低了生產(chǎn)過程中的人為錯(cuò)誤，提高了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。而SCADA 系統(tǒng)的報(bào)警和故障診斷功能則可以幫助企業(yè)快速發(fā)現(xiàn)和處理生產(chǎn)問題，減少停機(jī)時(shí)間，保證生產(chǎn)連續(xù)性。

3 基于SCADA 的車間級(jí)生產(chǎn)管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)的基本要求與目標(biāo)

設(shè)計(jì)車間生產(chǎn)管控平臺(tái)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)全面、精細(xì)、智能的生產(chǎn)過程監(jiān)控與管理。這個(gè)平臺(tái)應(yīng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取和展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)，使決策者能夠清晰了解生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決生產(chǎn)中的問題。平臺(tái)還應(yīng)有控制功能，比如設(shè)定和調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，控制生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)定和調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化和智能化。平臺(tái)還需具有數(shù)據(jù)分析和決策支持功能，通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的處理和分析，提供關(guān)于生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)和能源消耗等方面的統(tǒng)計(jì)報(bào)告和分析結(jié)果，這將有助于決策者作出科學(xué)且合理的決策?？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，還需確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和傳輸，防止數(shù)據(jù)丟失、誤操作和非法訪問。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)上講，該平臺(tái)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)以支持功能擴(kuò)展和升級(jí)，并且要與SCADA 系統(tǒng)和MES 系統(tǒng)無縫對(duì)接，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上下游整合，從而提升數(shù)據(jù)的利用效率和價(jià)值[2]。

3.2 S CADA 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

SCADA 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)涵蓋了多個(gè)層級(jí)，主要包括數(shù)據(jù)采集層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)采集層，需要使用各種傳感器和設(shè)備，如溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)等，來實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)。然后，通過在通信網(wǎng)絡(luò)層設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理層。在數(shù)據(jù)處理層，需要使用一定的數(shù)據(jù)處理和分析方法，如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)分析等，以處理并理解收集到的大量數(shù)據(jù)[3]。最后，在應(yīng)用層，需要開發(fā)各種應(yīng)用軟件和服務(wù)，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、報(bào)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)報(bào)表、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)等，以便于用戶可以直觀地理解數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)中的問題，提高生產(chǎn)效率。

3.3 生產(chǎn)管控功能模塊設(shè)計(jì)

在生產(chǎn)管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，主要包含了生產(chǎn)模塊、質(zhì)量模塊、設(shè)備模塊、報(bào)警管理模塊、能源模塊以及數(shù)據(jù)庫管理模塊等六大核心功能模塊。

首先，生產(chǎn)模塊是用來監(jiān)控和管理生產(chǎn)流程的，包括生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)的全程管控。其次，質(zhì)量模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，包括質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量檢驗(yàn)、質(zhì)量報(bào)告等功能，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提升。然后，設(shè)備模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的管理，包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、設(shè)備故障處理等功能，保障生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。報(bào)警管理模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程中的異常情況，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，可以立即發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。而能源模塊則是對(duì)生產(chǎn)過程中的能源使用情況進(jìn)行監(jiān)控和管理，如電力、燃?xì)獾?，通過數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)節(jié)能減排提供決策支持。數(shù)據(jù)庫管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)上述各模塊生成的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和利用，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)查詢等功能，保證數(shù)據(jù)的安全和可用[4]。

3.4 數(shù)據(jù)處理與信息傳遞模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理與信息傳遞模塊在生產(chǎn)管控平臺(tái)中具有核心地位。該模塊涵蓋數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)，通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程參數(shù)和能源消耗等各類數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析、關(guān)聯(lián)分析等手段，從海量數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的信息為決策提供支持，最后將這些數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行有序儲(chǔ)存以備后續(xù)使用和查詢。同時(shí)，信息傳遞環(huán)節(jié)通過圖表、報(bào)表等直觀的方式向用戶展示數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果，以幫助用戶快速把握生產(chǎn)情況。通過網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)設(shè)備等工具，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)傳遞，達(dá)到信息的共享和流通，而在設(shè)計(jì)中，信息傳遞的效率和安全性被特別重視，以防止信息延遲、丟失，并保護(hù)信息的安全和隱私。

4 平臺(tái)實(shí)施與應(yīng)用

4.1 平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境與工具

在本文的研究中， 選用Visual Studio 、VScode 等開發(fā)環(huán)境進(jìn)行平臺(tái)開發(fā)。Visual Studio是基本完整的開發(fā)工具集，包括了整個(gè)軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML 工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等。VScode 是一款開源、輕量級(jí)但功能強(qiáng)大的代碼編輯器，具有良好的跨平臺(tái)特性，支持Windows、Linux 和Mac OS操作系統(tǒng)。VScode 提供了多種語言支持、代碼智能提示、Git 控制、調(diào)試工具等一系列高效的開發(fā)工具，適應(yīng)各種編程語言的開發(fā)需求。

在編程語言方面，選擇了VC++、Python 等語言進(jìn)行開發(fā)。VC++適合數(shù)據(jù)采集方面開發(fā)，面向OPC或硬件接口開發(fā)，優(yōu)點(diǎn)是程序執(zhí)行速度快、效率高、穩(wěn)定性好。

Python 語言因其語法簡(jiǎn)潔易懂、代碼可讀性高、學(xué)習(xí)曲線平緩等特性，得到了廣大開發(fā)者的青睞。同時(shí)，Python 的強(qiáng)大的第三方庫支持，如NumPy、Pandas 等數(shù)據(jù)處理庫和Django、Flask等Web 開發(fā)框架，能夠更好地處理數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁應(yīng)用的開發(fā)[5]。

在本研究中，Python 不僅被用于開發(fā)SCADA系統(tǒng)，也被用于處理和分析采集到的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管控提供數(shù)據(jù)支持。例如，在開發(fā)中，可以使用Python 和pandas 庫進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.2 平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

本研究采用以用戶為中心、技術(shù)驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)界面設(shè)計(jì)策略。遵循一致性、簡(jiǎn)潔性、反饋性和用戶友好的設(shè)計(jì)原則，目標(biāo)是創(chuàng)建出直觀、易于使用且高效的用戶界面。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面，VC++與Python 語言被用于核心功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為了提高界面用戶體驗(yàn)，VC++在Win32應(yīng)用開發(fā)中，常常與MFC（Microsoft Foundation Class）庫一起使用，該庫提供了一套豐富的C++類，包括用于創(chuàng)建窗口和對(duì)話框的類，以及用于處理菜單、工具欄、剪貼板和拖放等任務(wù)的類，極大地提高了開發(fā)效率。

而Python 在用戶界面設(shè)計(jì)方面，Tkinter 庫作為Python 的標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面（GUI）庫，可以創(chuàng)建跨平臺(tái)的Python 應(yīng)用程序，以及多種圖形應(yīng)用程序。用戶需求和使用場(chǎng)景作為界面設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，然后通過前端技術(shù)和工具實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)，最后通過用戶測(cè)試和反饋，持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)界面設(shè)計(jì)，確保其能夠盡可能地滿足用戶的需求和習(xí)慣。

4.3 平臺(tái)實(shí)施的效果分析

平臺(tái)實(shí)施效果詳見表1。

表1 平臺(tái)實(shí)施效果

基于SCADA 的車間級(jí)生產(chǎn)管控平臺(tái)的實(shí)施，帶來了顯著的效果改善。從表1可以看出，實(shí)施后的各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的提升或優(yōu)化。

首先，生產(chǎn)效率的提升是明顯的。在平臺(tái)實(shí)施前，生產(chǎn)效率為80%，而實(shí)施后，這一比例提升到了90%，改善百分比達(dá)到了12.5%。這主要?dú)w功于SCADA 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和分析能力，以及管控平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)流程的精細(xì)管理。通過對(duì)設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度，使得生產(chǎn)流程更加順暢，減少了故障停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

其次，產(chǎn)品質(zhì)量也有顯著提升。實(shí)施前，產(chǎn)品質(zhì)量的達(dá)標(biāo)率為85%，而實(shí)施后，這一數(shù)字提升到了95%，改善百分比達(dá)到了11.76%。這主要得益于管控平臺(tái)中的質(zhì)量管理模塊，通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，采取措施進(jìn)行改正，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。

再次，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間也有所增長(zhǎng)。從原來的18h，提升到了20h，改善百分比為11.11%。這一變化反映出了設(shè)備管理模塊的作用。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少了設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間，提高了設(shè)備的利用率。

最后，能源消耗方面，實(shí)施后比實(shí)施前減少了10%。這主要得益于能源管理模塊，通過對(duì)生產(chǎn)過程中的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)并改正能源使用中的不經(jīng)濟(jì)行為，從而實(shí)現(xiàn)了能源的節(jié)約。

5 結(jié)語

從本文的研究可以看出，基于SCADA 的車間級(jí)生產(chǎn)管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)施是可行的，對(duì)于現(xiàn)代化車間的生產(chǎn)管理和優(yōu)化有著積極的推動(dòng)作用。然而，也需要認(rèn)識(shí)到，隨著技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)需求的變化，平臺(tái)的優(yōu)化和升級(jí)是一個(gè)持續(xù)的過程。在未來的工作中，我們將進(jìn)一步研究如何將最新的人工智能技術(shù)與SCADA 系統(tǒng)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更加智能化的生產(chǎn)管理和控制。