方新
福建奔馳汽車有限公司 福建福州 350119
隨著世界制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型改良和提升,落后的生產(chǎn)技術(shù)與管理手段已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)力發(fā)展的需要。提出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控生產(chǎn)進(jìn)度與設(shè)備加工狀態(tài)的可視化方法,使得生產(chǎn)加工過程透明化并可以通過數(shù)據(jù)分析提前發(fā)現(xiàn)存在的問題。
基于該理念設(shè)計(jì)的制造車間監(jiān)控系統(tǒng),以可編程控制器為基準(zhǔn)對生產(chǎn)現(xiàn)場信號進(jìn)行全面管控,并通過上位軟件的Web功能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控,將大幅度提高國內(nèi)制造業(yè)的生產(chǎn)效率、管理水平和機(jī)加工的良品率。目前國內(nèi)大部分制造廠商存在生產(chǎn)設(shè)備老舊、生產(chǎn)工序復(fù)雜、零散的信息孤島多以及生產(chǎn)線人為隨意性操作等問題,讓生產(chǎn)管理在實(shí)際生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)確性、可控性及傳輸性等還遠(yuǎn)達(dá)不到智能制造數(shù)字化的要求。
總結(jié)傳統(tǒng)加工車間在生產(chǎn)與管理過程中存在的部分典型案例,發(fā)現(xiàn)存在某些問題。
1)生產(chǎn)廠房老舊,線路老化導(dǎo)致設(shè)備不能夠聯(lián)網(wǎng),設(shè)計(jì)部門下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃不能直接傳輸?shù)矫颗_(tái)生產(chǎn)設(shè)備上,生產(chǎn)計(jì)劃單在執(zhí)行中對應(yīng)的生產(chǎn)數(shù)量、生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)加工報(bào)廢統(tǒng)計(jì)大部分時(shí)候還是采用人工紙質(zhì)表格進(jìn)行記錄、簽字、歸檔和整理,只有在事后追蹤認(rèn)責(zé)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)最終原因,導(dǎo)致處理周期長、效率不高,各方推諉且在工人更換生產(chǎn)設(shè)備或者加工零件原材料等情況下困難重重。
2)生產(chǎn)過程中無法對在加工產(chǎn)品涉及的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和上傳,產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證,產(chǎn)生錯(cuò)誤代碼也無法及時(shí)獲取并處理,不利于對不合格產(chǎn)品進(jìn)行溯源追蹤。
3)設(shè)計(jì)部門和管理部門也不能對車間生產(chǎn)加工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,不能及時(shí)獲取支持運(yùn)營的關(guān)鍵性生產(chǎn)數(shù)據(jù),難以判斷訂單的完成率,無助于對下一步生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整和加工時(shí)間周長的優(yōu)化。
以上問題如果在現(xiàn)代加工過程中得不到有效的改善,將會(huì)嚴(yán)重阻礙企業(yè)向智能化、數(shù)字化、信息化的智能制造方向發(fā)展。
世界經(jīng)濟(jì)格局兩大趨勢不可忽視:一方面實(shí)體經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略意義再次凸顯,另一方面是新一輪工業(yè)革命正在深化。未來,在“制造業(yè)數(shù)字化智能化”這樣一個(gè)核心技術(shù)方面,需要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略性的重點(diǎn)突破和跨越,實(shí)現(xiàn)我國從制造大國到制造強(qiáng)國的跨越式發(fā)展。
制造業(yè)“數(shù)字化智能化”是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)。數(shù)字化智能化技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新和制造技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù),是新的工業(yè)革命的核心技術(shù)。
應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和智能技術(shù)的創(chuàng)新,核心就是數(shù)字化。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用,產(chǎn)品工作狀態(tài)與環(huán)境等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)檢測、處理、補(bǔ)償及控制成為可能,系統(tǒng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自我決策等能力不斷提高,必將全面提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工和管理的水平。
以下將從業(yè)務(wù)敏捷性和業(yè)務(wù)健壯性兩個(gè)維度進(jìn)行分析。
業(yè)務(wù)敏捷性方面的轉(zhuǎn)型通常包含以下幾步。
1)構(gòu)建PaaS平臺(tái),把服務(wù)器平臺(tái)作為一種服務(wù)提供的商業(yè)模式。云計(jì)算時(shí)代相應(yīng)的服務(wù)器平臺(tái)或者開發(fā)環(huán)境作為服務(wù)進(jìn)行提供就成為了PaaS平臺(tái),平臺(tái)即時(shí)服務(wù),開發(fā)人員直接使用構(gòu)建的應(yīng)用程序環(huán)境,比敏捷開發(fā)的開發(fā)速度更快,讓業(yè)務(wù)迅速反應(yīng)并具有彈性。
2)基于PaaS實(shí)現(xiàn)DevOps PaaS平臺(tái)可以提高基礎(chǔ)設(shè)施的敏捷從而加快業(yè)務(wù)的反應(yīng)迅速,而DevOps則是在流程交付上加快業(yè)務(wù)的反應(yīng)速度。通過DevOps可以完成持續(xù)集成、持續(xù)交付,加速價(jià)值流交付,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速穩(wěn)健的更新?lián)Q代。
3)借力輕量級應(yīng)用服務(wù)器來為現(xiàn)有單體應(yīng)用加速。大部分傳統(tǒng)應(yīng)用都是在確保企業(yè)能夠運(yùn)營、加工、交付和創(chuàng)收為關(guān)鍵,不能輕而易舉地取而代之,需要設(shè)計(jì)者充分了解實(shí)際加工應(yīng)用過程后,不斷調(diào)整、不斷改良再與新的云原生應(yīng)用整合到一起,起到更加完善的作用。
4)選擇云原生的應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)行框架。隨著物聯(lián)網(wǎng)(loT)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能(AI)、數(shù)據(jù)挖掘及圖像識別等新興技術(shù)的興起,可以根據(jù)指定業(yè)務(wù)應(yīng)用需求來選擇語言或框架開發(fā)。
5)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)管理。梳理現(xiàn)有業(yè)務(wù)層級和復(fù)雜度,通過微服務(wù)化改造,將復(fù)雜業(yè)務(wù)化整為零變?yōu)樾〉膯卧?,但并不破壞不同單元之間的關(guān)聯(lián)性,既支持各自獨(dú)立又可以整合為一體進(jìn)行更新,以達(dá)到業(yè)務(wù)層面全面提升。
業(yè)務(wù)健壯性的提升通常分為以下幾步。
1)建設(shè)單一數(shù)據(jù)中心。絕大部分企業(yè)級客戶(如金融、電信、醫(yī)療和能源客戶)數(shù)據(jù)運(yùn)行都有各自的企業(yè)數(shù)據(jù)中心云斷,所以在數(shù)據(jù)中心初期建立時(shí),通常都是單一數(shù)據(jù)中心。
2)建設(shè)多數(shù)據(jù)中心。隨著企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)模的擴(kuò)張和提升,通常會(huì)選擇建設(shè)云備份或者雙活數(shù)據(jù)中心,可以保證數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)整體故障時(shí),整體業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)不會(huì)受到影響。
3)構(gòu)建混合云。隨著共享云的普及,部分企業(yè)級客戶,尤其是制造行業(yè)的客戶,開始將一些前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)向共享云遷移,這樣客戶的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)最終成為混合云的模式。
在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中,企業(yè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)相輔相成。大部分的基礎(chǔ)架構(gòu)需要無縫地銜接各類基礎(chǔ)設(shè)施。如共享云、私有云及混合云,可以簡單明了地實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)計(jì)算、過程及結(jié)果存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源的使用管理與監(jiān)控。
數(shù)據(jù)是數(shù)字化的基礎(chǔ),數(shù)字化轉(zhuǎn)型的第一步就是要將所有數(shù)據(jù)整合連接。數(shù)據(jù)采集的成本很高,所以一般建議先模擬數(shù)字化路線和場景的規(guī)劃,自頂而下地驗(yàn)算到底需要哪些數(shù)據(jù)及其采集技術(shù),數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)難點(diǎn)不在于技術(shù)操作層面,而在于業(yè)務(wù)各個(gè)部門的協(xié)調(diào)推動(dòng)。
采集到數(shù)據(jù)以后,首先要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,在數(shù)字化規(guī)劃階段,對全數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并推演,同時(shí)進(jìn)行以下幾個(gè)要點(diǎn):
1)多個(gè)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),保證統(tǒng)一時(shí)期同一種數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)中驗(yàn)算結(jié)果是一致的。
2)通過數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)使得相鄰環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可相互對比驗(yàn)證。
3)數(shù)據(jù)質(zhì)量可以融入日常管理流程進(jìn)行運(yùn)用。
采集到的數(shù)據(jù)往往都分布在各業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)內(nèi),但是之后的分析會(huì)涉及多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),故而各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)墻也要相通,避免出現(xiàn)不相容而成為數(shù)據(jù)孤島。
總而言之,就是以數(shù)據(jù)分析為起點(diǎn),向上要做到數(shù)據(jù)口徑的統(tǒng)一,向下要做到數(shù)據(jù)整合—數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)分析—數(shù)據(jù)儲(chǔ)存—可視化在一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行。
數(shù)據(jù)連接完成后,其次就是基于業(yè)務(wù)需求分析和可視化展示。分析可以分為歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)按指標(biāo)、業(yè)務(wù)歸類顯示,生成報(bào)表,同時(shí)傳輸可視化報(bào)告。
當(dāng)企業(yè)具備了自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)建設(shè)后,都會(huì)開始思考如何提高效率、降低成本,因此會(huì)進(jìn)入第三階段精益求精的分析。這個(gè)階段大多會(huì)用到數(shù)字化軟硬件技術(shù)和設(shè)備,來簡化并優(yōu)化流程,將原來的現(xiàn)場診斷修改步驟逐漸轉(zhuǎn)化為結(jié)合實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化診斷,全面、及時(shí)地的去發(fā)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)中存在的隱患并得到妥善修改。
基于第三階段精益求精分析的結(jié)果,企業(yè)及其管理者被賦能,會(huì)準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營問題,做到找出原因且提供解決方案的挑戰(zhàn)。這時(shí)候需要通過大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對最佳歷史實(shí)踐進(jìn)行提煉并預(yù)測,輔助管理人員進(jìn)行快速?zèng)Q策,乃至解放管理人員進(jìn)行自動(dòng)決策,從而真正實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能制造,是為高階分析,如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)連接高階分析
當(dāng)企業(yè)推進(jìn)內(nèi)部的智能高階分析到一定階段后,必然需要與全供應(yīng)鏈的其他智能企業(yè)進(jìn)行鏈接,實(shí)現(xiàn)智能制造的全面轉(zhuǎn)型,如圖2所示。
圖2 智能化全面轉(zhuǎn)型
下面以WinCC+OPC技術(shù)為例來說明傳統(tǒng)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的案例。
目前傳統(tǒng)企業(yè)的制造車間在數(shù)字化管理方面存在嚴(yán)重不足,于是提出了數(shù)字化車間信息管理模式,如圖3所示,該數(shù)字化車間信息管理模式由三個(gè)部分組成。
圖3 數(shù)字化車間信息管理模式
(1)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集 每條生產(chǎn)線的工位端都配備了一臺(tái)智能化終端,通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和企業(yè)資源管理系統(tǒng)互聯(lián)互通,做到上傳下達(dá)指令。
(2)企業(yè)資源管理終端 通過企業(yè)資源管理系統(tǒng),工廠可以制定生產(chǎn)計(jì)劃,向每條生產(chǎn)線發(fā)送生產(chǎn)指令,收集終端信息,并隨時(shí)在資源管理終端上直觀地顯示工廠內(nèi)每臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)。
(3)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)端 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要存儲(chǔ)有關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的基本生產(chǎn)數(shù)據(jù),并提供有關(guān)損壞率的數(shù)據(jù)。同時(shí),它還存儲(chǔ)了工廠工人的基本信息,以便在工人訪問系統(tǒng)時(shí)查看基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)必須與現(xiàn)有的企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)集成,并整合來自主設(shè)備控制器和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備的信息。系統(tǒng)應(yīng)從公司管理系統(tǒng)中獲取生產(chǎn)計(jì)劃信息;獲取實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息,如產(chǎn)量、設(shè)備狀態(tài)、溫度和壓力;記錄、修改、保存與提示生產(chǎn)參數(shù);最大限度地利用公司資源,實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化。
如圖4所示,該控制與管理系統(tǒng)可分為以下三層,分別是數(shù)據(jù)采集部分、管理核心部分和資源管理部分。
圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
數(shù)據(jù)采集部分是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),大部分由硬件設(shè)備組成,主要用來采集數(shù)據(jù)。而管理核心和資源管理部分則根據(jù)各層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,完成可視化監(jiān)控和生產(chǎn)管理功能。
管理控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心,主要有以下四個(gè)功能:
1)接收企業(yè)自己選用系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃信息,并存儲(chǔ)和顯示這些信息,最后將重要的生產(chǎn)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。
2)在生產(chǎn)過程中利用數(shù)據(jù)采集部分來記錄、存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)收集區(qū)收集的數(shù)據(jù),以便有效控制生產(chǎn)過程。
3)控制生產(chǎn)設(shè)備,修改和保存生產(chǎn)參數(shù)并記錄到主控系統(tǒng)中,以確保對生產(chǎn)設(shè)備的有效控制。
4)與生產(chǎn)人員進(jìn)行人機(jī)交互,核實(shí)生產(chǎn)人員身份和生產(chǎn)機(jī)器材料數(shù)量等信息,記錄和存儲(chǔ)生產(chǎn)人員在機(jī)器上執(zhí)行的相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)。
數(shù)據(jù)資源管理部分,主要用于備份加工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息,為加工產(chǎn)品的質(zhì)量和降低壞損率提供保障;同時(shí)保存了系統(tǒng)用戶的基本登錄信息。
為滿足數(shù)字化車間生產(chǎn)監(jiān)視、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生產(chǎn)操作等功能要求,系統(tǒng)共分為生產(chǎn)操作、加工監(jiān)控、數(shù)據(jù)回放、參數(shù)設(shè)置、工藝文件查看、人員管理和工單留存7個(gè)功能模塊,如圖5所示。
圖5 控制與管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
(1)生產(chǎn)操作 是操作員在加工和生產(chǎn)過程中最常用的模塊。操作員使用該模塊控制人員和加工材料,并報(bào)告加工錯(cuò)誤。生產(chǎn)組長也使用該模塊向系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫傳輸有關(guān)合格產(chǎn)品數(shù)量、廢品數(shù)量和所用材料質(zhì)量的信息。
(2)加工監(jiān)控 生產(chǎn)工藝人員在此模塊設(shè)置工藝參數(shù),同時(shí)在產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)實(shí)時(shí)報(bào)錯(cuò)糾錯(cuò)等功能。
(3)數(shù)據(jù)回放 在該模塊中,車間管理人員可以從參數(shù)主曲線上查看存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中一定時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備情況,系統(tǒng)將在本地和數(shù)據(jù)服務(wù)器上對生產(chǎn)過程信息進(jìn)行保存,管理人員可以隨時(shí)了解情況,對不合格產(chǎn)品進(jìn)行問題追溯,實(shí)時(shí)查看該產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史和數(shù)據(jù)信息。
(4)生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置 圖6所示為工藝系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖,該模塊主要為工廠的生產(chǎn)工藝人員提供一個(gè)修改主控系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)的入口,而工藝員則在該模塊中定義特定產(chǎn)品的工藝參數(shù)。
圖6 工藝員系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
(5)工藝文件查看 生產(chǎn)人員可在此模塊查看存放于數(shù)據(jù)庫中的指導(dǎo)生產(chǎn)操作的生產(chǎn)工藝文件。
(6)用戶管理 圖7所示為管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu),管理員可以管理系統(tǒng)賬戶、修改賬戶信息、創(chuàng)建新賬戶和刪除賬戶。由于車間員工流動(dòng)性大,管理員需要為不同工作站的員工分配不同的系統(tǒng)訪問權(quán)限。用戶信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上,當(dāng)用戶從不同設(shè)備登錄時(shí),他們會(huì)訪問同一數(shù)據(jù)服務(wù)器上的基本信息,以驗(yàn)證他們的登錄信息。
圖7 用戶管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
(7)工單緩存 如果與上一級系統(tǒng)的通信出現(xiàn)故障,有關(guān)已完成生產(chǎn)的信息會(huì)暫時(shí)儲(chǔ)存在本地系統(tǒng)中,待通信恢復(fù)后再傳送到上一級系統(tǒng)。
系統(tǒng)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。因此,強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。圖8所示為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流通圖。企業(yè)ERP系統(tǒng)由于物理距離太遠(yuǎn),數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和管理與控制系統(tǒng)選擇以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò);而控制管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備物理距離近且為了連接的便利性,直接通過串行通信建立通信網(wǎng)絡(luò)。
圖8 網(wǎng)絡(luò)信息流通圖
(1)基于OPC協(xié)議以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的建立 當(dāng)生產(chǎn)車間里所有智能終端都可以通過雙絞線和交換機(jī)連接在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)時(shí),將可以采用Simatic WinCC OPC UA Server和ERP/OPC客戶機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行交換。
(2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò) 當(dāng)生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)采集設(shè)備出現(xiàn)很多型號不同,并且支持的通信方式又不同的情況,此時(shí)為了有效快速地讀寫外部數(shù)據(jù),會(huì)將該設(shè)備的數(shù)據(jù)映射到第三方服務(wù)器上,然后通過OPC服務(wù)器將外部設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫到OPC服務(wù)器上,再通過WinCC中轉(zhuǎn)控制管理系統(tǒng)讀寫OPC服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。避免因通信方式造成線路冗長和通信不暢。
WinCC是一款工業(yè)組態(tài)軟件,當(dāng)系統(tǒng)采用WinCC作為開發(fā)平臺(tái)軟件,可以滿足復(fù)雜生產(chǎn)設(shè)施應(yīng)用的大部分要求,同時(shí)支持C/VB作為基礎(chǔ)代碼來擴(kuò)展其功能。選擇KEP Server EX作為第三方OPC服務(wù)器完成對外部設(shè)備數(shù)據(jù)信息的讀寫。KEP Server EX是一款專業(yè)的OPC服務(wù)器軟件,支持250種以上的通信協(xié)議,可與幾乎所有第三方數(shù)據(jù)設(shè)備通信。
WinCC軟件強(qiáng)大的系統(tǒng)配置和多腳本功能可縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,即利用OPC技術(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通信,可快速建立上層ERP通信連接,又可同時(shí)將OPC服務(wù)器底層的軟硬件數(shù)據(jù)映射到WinCC系統(tǒng),避免了舊機(jī)型的數(shù)據(jù)采集和單一通信方式造成的讀寫困難。這不僅提高了生產(chǎn)效率和公司管理水平,還可作為公司信息建設(shè)的參考。該系統(tǒng)在將傳統(tǒng)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化生產(chǎn)方面發(fā)揮重要作用。