制造工廠的生產監控系統設計與實現

何濤（廣西康明斯工業動力有限公司，廣西柳州，545112）

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制造工廠的生產監控系統設計與實現

何濤
（廣西康明斯工業動力有限公司，廣西柳州，545112）

降低設備停機故障發生率，重點監控經常出問題的設備，這些都需要從生產過程中提取數據進行分析，需要對生產過程進行實時監控。生產實時監控系統對于加強生產管理有效性、提高生產效率發揮著越來越大的作用。本文主要通過對計算機實時監控系統的研究，分析并解決了生產線上長期令人困擾的問題；通過實時監控系統與發動機生產流程相結合，搭建一套符合發動機工廠生產要求的實時監控系統，為企業高效率生產創造條件。

生產實時監控；生產效率；瓶頸；生產線

引言

隨著經濟全球化和科學化管理體系的不斷進步，企業規模愈來愈龐大，組織內專業分工愈來愈精細，產業鏈上下游產生了分工及合作問題。為了對生產過程進行有效的管理，首先就需要準確的獲取生產線上的相關生產信息，對生產線進行監控；接著要研究生產監控數據確保數據的準確性、有效性，最終提高管理效率。實現生產線的系統監控，有以下優點：①生產線狀態可視化，讓生產線狀態一目了然；②收集生產數據：產量、停機時間、生產周期等；③便于及時響應故障及進行問題分析；④能夠快速發現生產問題從而采取整改措施。隨著計算機、軟件工程、自動控制、視頻、傳感等技術的發展，將控制系統與工業現場設備連接起來，形成控制網絡，進行數據信息交互，實現遠程監控，供管理者進行生產優化將對企業生產產生有著積極的作用。所以，在生產線上進行生產監控，實現生產過程中的數據監控、收集及數據挖掘，對于工廠的生產管理來說顯得十分必要。

1　監控系統概況

為了提高生產效率，工廠管理者要在第一時間確定故障的原因和根源并及時處理，以減少生產線停工時間。生產實時監控系統對于加強生產安全運行的管理發揮著越來越大的作用。目前很多發動機工廠內，應用的都是自動化程度很高的設備，基本上每個設備都會有PLC進行控制并實施操作設備；PLC以工業以太網接口實現與上位機進行連接。這些PLC體積雖小，但是功能強大，采用模塊化設計，擴展靈活方便［1-3］。

1.1監控業務需求分析

（1）監控的最早形式--安燈

現在的安燈包括質量安燈、物料安燈、信息管理三大功能。系統能夠收集生產線上有關設備、生產和質量管理等信息，分析處理后，控制分布于車間各處的燈光和聲音報警系統，從而實現生產信息的透明化。該系統可以實現生產現場設備故障引發停線，現場作業人員即時發送故障警報信號；維修人員看到信號后，即時趕到現場處理。系統能夠對設備發生的故障時間、維修響應時間、設備修復時間進行記錄，為生產管理提供數據依據，以及設備維護人員的考核提供參考。由于系統實現生產數據可視化，便于管理人員及時掌握生產線狀態，有助于減少停線時間。因此很多汽車制造業都已經開始使用安燈系統，在發動機工廠中更是得到了廣泛使用。

（2）信息監控的業務需求

安燈作為制造工廠內的重要手段，這就對生產車間的生產監控提出了要求。很多安燈的要求，都可以在計算機生產監控系統里實現。圖1是實現發動機工廠生產監控的目標模型，生產監控的需求都能夠在圖1中明確。

圖1　發動機工廠生產監控的目標模型

1.2監控系統功能

考慮到信息的及時顯示，系統需要不停的與生產線設備進行數據交互并監控設備的運行狀態。生產線旁的工業電腦則用來顯示設備的狀態及故障信息。當生產設備出現異常狀態，工業電腦上就會顯示出相應的信息進行提示，并同時保存數據、處理，生成相應的報表為管理人員提供決策依據，降低設備的故障率，提供生產效率。生產線旁還會配備巨大的液晶顯示屏，根據業務需求，把需要的生產數據顯示在屏幕上，方便管理人員查看。

為了及時反映生產線的情況，做到“不接受、制造或傳遞缺陷”，系統通過與檢測設備的接口，采集實時質量數據。通過采集到的實時數據與工藝標準數據進行對比，一旦發現偏差立即會發出聲光信息進行報警。工位上的呼叫信息也會被系統監控到，并顯示到液晶屏幕上。

收集數據供管理人員進行分析，提高生產效率，系統還將提供一個界面友好的報表工具用于查詢、顯示、輸出、打印報表。于是，監控系統應該能解決以下問題，即應能滿足以下功能：①堵塞/待料報警；②正常運行顯示；③工位名稱顯示；④目標產量/實際產量顯示；⑤信息欄顯示；⑥故障顯示；⑦合格率顯示；⑧遠程監控生產線狀態功能。

2　監控系統的實現

2.1監控系統總體架構設計

本文涉及的生產監控系統是建立在GE Fanuc公司的工業自動化軟件模塊基礎上，采用C/S架構。服務器端是位于IT機房的服務器，客戶端則由布置在現場的工業電腦組成。采用TCP/IP網絡協議，兼容網絡開發的軟件語言，提高了系統的靈活性、可用性。

（1）數據的采集設計：工位按鈕的啟停，拉繩動作，PLC各種狀態等相關信息，系統都會進行收集；

（2）控制設計：由服務器軟硬件組成，在服務器上安裝軟件，能夠實時監控各生產信息，并且能夠與現場控制設備進行信息交互；

（3）信息輸出設計：大尺寸的液晶顯示屏（可以由多塊顯示屏組合成，便于現場查看），報警顯示設備（報警燈柱、旋轉報警燈部件、多顏色報警燈），聲音設備（擴音喇叭、音樂PLC、音響）；

（4）現場的網絡設計：設備之間的通訊方式需要支持多種通信協議，這里設計可以使用標準工業總線協議、以太網協議、無線調制信號等通信協議。

服務器上進行監控系統的開發及運行。現場工控電腦可以通過瀏覽器訪問服務器監控程序主畫面。監控程序的數據庫用來存放現場的各類生產數據。通過以太網網絡連接，使監控系統可以訪問現場生產設備，采集設備的刀具信息、加工數據、運行狀態等信息。每條生產線旁會配備一個液晶顯示屏，生產信息及故障信息都會通過以太網傳輸到屏幕上進行顯示。監控系統可以獨立控制每一塊液晶屏幕，這些在數據采集服務器上實現。數據采集服務器可以針對單獨的屏幕進行屏幕信息配置、生產信息配置、音樂配置。這些信息將以動態的方式依次顯示在屏幕上。同時，數據采集服務器可以通過音樂控制器進行聲音的播放。

系統基于微軟操作系統平臺，使用GE Fanuc公司的自動化軟件進行開發配置，實現現場設備的數據采集、數據跟蹤等工作。采集后的數據將會存儲在數據庫中，系統會將這些數據進行處理挖掘，最終形式報表查詢供用戶查詢。數據流如圖2所示。

圖2　系統數據流

2.2監控系統的主要功能模塊劃分

通過前期的工廠業務需求調研，把業務需求轉換成系統功能設計，最終把整個監控系統劃分為以下幾個功能模塊：

（1）生產數據的過程監控

記錄生產過程中的所有信息數據，以達到快速響應的生產要求。所有的故障信息都會通過手動自動的方式，以聲音或圖像的方式第一時間內提醒管理人員進行處理。所有故障的具體內容也會隨之記錄在數據庫中形成報表供日后查詢，完整的數據資料是管理人員做出正確決策的依據。生產數據的過程監控功能主要有：①工廠內的生產數據信息采集功能；②數據信息的可視化功能；③產量、生產周期統計功能；④生產故障報警控制；⑤大數據的挖掘分析功能。

圖3中顯示了系統的主畫面。畫面中把生產數據轉換為可視的形式呈現出來，并可以動態顯示生產線狀態等相關信息，管理人員查看起來非常直觀方便，之前神秘的生產信息以下變得透明起來。

（2）質量信息的管理

在監控系統里，質量信息管理分為在線質量控制和質量報警兩部分。

在線質量控制就是在生產的過程中，實時的對質量進行控制，需要能夠實時掌握產品的質量情況。這樣便于管理及決策。在質量管理中根據預定義的質量變量和工藝參數范圍來進行報警是其主要功能。

圖3　監控系統圖形化

質量報警是可視、可聽的生產線狀態通信系統，顯示車間底層的實時狀態。它提醒工人、領導、維修工和管理人員在特定部位發生了問題，是請求幫助的工具。質量報警的功能主要包括：①在工位崗位上，在操作人員可觸碰范圍之內安裝報警裝置，員工可以在碰倒問題的時候及時觸碰按鈕進行求助；②在每個生產線操作工位上安裝有報警指示燈，一旦員工觸碰了報警裝置，通過聲光報警來引起注意，尋求幫助；③每條生產線的液晶顯示屏會在特定區域顯示報警信息；④當發生報警時，只有報警工位所在區域會產生報警聲光信號，提醒該區域的管理人員及時進行響應，而不影響其它區域的正常生產；⑤生產線開始工作之前（轉換前、間斷后、午飯后），系統會鳴叫一分鐘，相關的信息、設置點將由質量呼叫系統管理。

（3）報表查詢功能

系統中的報表采用B/S結構，用戶可以根據需求定制相應的報表格式。可以按照特定的條件進行查詢所需要的生產數據信息。

3　監控系統的數據集成

3.1數據采集方式

本次監控系統是基于所有生產設備都是使用PLC進行生產信息的采集。然后通過以太網絡訪問PLC設備，獲取PLC中的生產數據并進行數據交互。將PLC連接到監控系統的方式有兩種，即現場總線和工業以太網。

3.2統一PLC接口標準

由于發動機工廠的自動化設備很多，各種設備制造廠家不同，設備類型也不一樣。雖然使用OPC來作為設備PLC接口工具，但是如果各個PLC的信息地址都不一樣，那么就不利于今后監控系統的開發及數據準確性的確認。為此，根據業內的經驗，制定出來一個適用標準可編程邏輯控制器數據地址規范。研發制定了PLC內存地址的格式，哪些地址存放什么數據都是規定好的。設備供應商在制造設備的時候，必須按照此要求來配置PLC程序。統一了數據接口格式標準后，系統在采集數據的時候，也就非常方便了。

PLC數據地址規范標準規定了不同類型的設備PLC都使用相同的格式來存放PLC數據信息，這樣在上層系統開發時，不管是監控系統或者是其它MES系統，在和底層的PLC進行數據交互時，就能夠按照一定的規則進行配置，方便了系統開發及日后的運維，在自動化程度很高的生產制造工廠起到了舉足輕重的作用。

4　監控系統的開發配置

4.1數據采集工程的配置

（1）GE Fanuc數據采集軟件

鑒于實施生產監控系統的發動機工廠大多數都是使用通用電氣公司的PLC，所以系統開發軟件選擇了GE Fanuc公司（通用公司和發那科公司現已分開獨立）的CIMPLICITY軟件來進行系統集成設計及開發［4］，幫助用戶實現降低生產成本、提高生產效率、增加企業效益。該軟件是面向對象的分布式監控軟件，提供過程可視化、數據采集和生產監控等功能，是本次實現數字化生產管理的基礎。

（2）數據采集服務器的配置

對于每一個P L C，都會對映的在CIMPLICITY軟件里面建立一個設備。然后配置該設備的IP地址及PLC地址。由于每個PLC的數據有很多，地址也各不相同，使用之前定義的可編程邏輯控制器數據地址規范接口標準，起到了統一的作用。在CIMPLICITY軟件里面，把定義好的接口標準填入到軟件的設備信息里。

配置“設備信息”。設備信息主要是建立PLC通信，每新建一個設備信息，就要配置與這個“設備信息”連接的PLC的IP地址、端口及PLC類型。

建立“點信息”來獲取PLC數據地址。在“設備信息”ID里面，選擇相應的設備信息來與PLC建立連接；在地址信息里面，配置PLC的數據地址來獲取PLC的實際數據。

當上述都配置好了，我們就初步完成了一個PLC的一個地址的數據采集工作。

CIMPLICITY里面的缺少的PLC驅動，但Kepware OPC作為一款數據采集軟件，能夠很好的支持。配置好IP和PLC數據地址后即可采集PLC數據。

4.2功能模塊設計

本監控系統主要包括三部分：①顯示主界面功能模塊，用來顯示整個生產線狀態；②生產參數配置界面，用來設置各種參數；③報表查詢界面，用來供用戶查詢相關生產信息及定制的報表。整個監控界面基于CIMPLICITY開發和配置［5］。

（1）系統與數據庫的連接

系統與數據庫的連接采用微軟的開放數據庫連接的方式，每一臺數據采集服務器上都會配置一個開放數據庫連接連接，CIMPLICITY軟件通過開放數據庫連接來與數據庫進行連接。

（2）主界面顯示模塊

主界面顯示模塊是整個監控系統的核心，如下圖所示。主要為生產線的俯視圖，監控系統的主界面直接固定顯示在工位旁的工業電腦上，不允許改動。通過該畫面，生產管理人員隨時可以了解到生產的相關數據信息。用鼠標點擊相應的圖標或點擊主菜單選項即可進入參數配置、生產信息等界面，如圖4所示。

每個工位圖標都是由CIMPLICITY的組件創建，并且在組件里都配置了對應工位的PLC點。工位圖標會根據當前PLC的點的信號來改變顏色。這些信號都是設置為布爾邏輯值，當該信號由0變1后，系統就會根據是哪個信號的變化來改變工位圖標的顏色。

圖4　監控系統主界面

（3）參數配置模塊

參數的配置功能主要分兩部分：一部分是配置暗燈音樂和文字顯示部分；一部分是配置節拍等產量信息部分。第一部分音樂文字配置主要是用來選擇不同的需求或故障用什么音樂進行提示，第二部分主要是用來設置額定節拍及目標產量信息，來監控實際生產中與目標的差異。

在音樂配置界面，我們會通過用戶的設置來獲取音樂序號，然后這些序號會和現場音樂PLC中的存放的音樂序號對映起來。當監控系統從設備PLC中收到了某一個信號，則監控系統會通過以太網絡把音樂的信息發送給現場的音樂PLC，音樂PLC接受到這個信號后就會播放対映音樂了。

（4）歷史報表查詢模塊

報表查詢功能主要涉及數據庫的數據存儲及提取，是生產線監控系統的一個重要組成。大量的生產數據經過數據庫的處理和挖掘，由零散的無效數據轉換為有重要價值的報表信息供管理員查詢，是數字化工廠的核心所在。通過有價值的報表信息，可以為管理人員提供重要的參考信息，從而改進生產，提高生產率和生產效益。生產過程的大數據挖掘，可以給企業帶來巨大的經濟效益，已經成為企業發展的重要組成部分。

5　結束語

本文討論了生產監控系統，指出了其在智能生產監控中對生產過程、質量控制有著積極的推動作用。針對某發動機工廠的實際業務模式和業務需求，結合系統工程理論及項目管理理論，結合PLC、工業現場總線和以太網等技術，確定了生產監控系統的框架模型，并清晰定義了分階段業務、模塊框架及功能等，基本滿足了生產現場響應人員及管理人員的使用要求。

［1］于慶廣.可編程控制器原理及系統設計［M］北京：清華大學出版社.2004.

［2］陳琳.可編程控制器應用技術［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［3］丁煒、魏孔平.可編程控制器在工業控制中的應用［M］北京：化學工業出版社.2004.

［4］廖常初.PLC應用技術［M］.機械工業出版社.2008.

［5］何小陽.計算機控制技術［M］.重慶大學出版社.2011.

Monitor System Design and Achieve on Manufacturing Companies

Tao He
（Guangxi Cummins Industrial Power Company， Guangxi， Liuzhou， 545112， China）

In order to reduce equipment down influence，people need to know which station is the bottleneck. Want to know which equipment has often problems， the key to take care of....All these must analyze the production process to extract data to do analysis， it is necessary doing real-time monitor for production. Real-time monitoring strengthen the effectiveness of the production management is playing the more and more major role. Not only improve the production management efficiency， and discover and solve the production line at ordinary times some impact is not big but long-term disturbing problem，through the use of the system， did it with practice， to improve the workshop production management level. This paper analyzed the system in Engine Factory application and use experience.

Real-time Monitoring； Production Efficiency； Bottleneck； Product Lines

E-mail: 191059470@qq.com

TP3

A

2095-8412 （2016） 03-409-06

何濤（1983-），男，廣西柳州人，碩士研究生，助理工程師，主要從事生產線IT系統的管理方面的工作。