新能源電動(dòng)汽車生產(chǎn)車間信息采集與監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

殷 輝，張丁一，劉金鑫，鄧文博，王馳遠(yuǎn)

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

傳統(tǒng)汽車工業(yè)車間大多數(shù)是人工或者半自動(dòng)化的程度，相對于全自動(dòng)還有一定的距離。隨著工業(yè)4.0和中國制造2025的提出，傳統(tǒng)的汽車行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，工業(yè)現(xiàn)代化、數(shù)字工廠的建造勢在必行，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、方便對整個(gè)企業(yè)的監(jiān)控、提高企業(yè)的生產(chǎn)效率都會(huì)帶來益處。

隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的生產(chǎn)力大幅度提高，人們追求更加安全方便快捷的生產(chǎn)方式。在21世紀(jì)能源相對緊張的時(shí)代，新能源使用會(huì)減少環(huán)境資源的壓力，新能源電動(dòng)汽車將會(huì)成為社會(huì)上主流，而傳統(tǒng)生產(chǎn)電動(dòng)汽車的方式基本上是手動(dòng)或者半自動(dòng)的狀態(tài)，因此，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的工廠的升級改造勢在必行。本文依據(jù)湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司設(shè)備監(jiān)控與輔助報(bào)工系統(tǒng)要求，以數(shù)字化車間為目標(biāo)，面向智能制造數(shù)字化設(shè)備監(jiān)控業(yè)務(wù)，并結(jié)合類似的數(shù)字化車間建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)字化車間提供全面解決方案。

設(shè)備智能監(jiān)控與輔助報(bào)工系統(tǒng)通過車間數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的搭建，基于現(xiàn)場設(shè)備支持的各種數(shù)據(jù)通訊接口，如工業(yè)以太網(wǎng)、串口等，采用Modbus、串口協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議或各種PLC專有通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線現(xiàn)場不同型號(hào)的PLC設(shè)備互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用集中式采集的方式，采集設(shè)備的運(yùn)行、停止、故障信息以及關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中。系統(tǒng)依據(jù)采集回來的設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備實(shí)際加工運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)采集得到的信息，統(tǒng)計(jì)各個(gè)設(shè)備的工作狀況。同時(shí)通過RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤工件流向，實(shí)現(xiàn)輔助報(bào)工。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其中L1層為底層設(shè)備，主要是車間的現(xiàn)場設(shè)備，也是主要的信息來源；L2層為設(shè)備智能監(jiān)控與輔助報(bào)工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、物料跟蹤、輔助報(bào)工等功能；L3層為MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工藝流程管理、生產(chǎn)計(jì)劃、物流配送、車間過程管理、過程檢驗(yàn)等功能的信息化系統(tǒng)；L4層為ERP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理、業(yè)務(wù)流程管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、人力資源管理和定期報(bào)告等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

L1層也是設(shè)備聯(lián)網(wǎng)層，車間設(shè)備的互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠建設(shè)的第一步也是一步最基本的一步，是整個(gè)數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)，聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備包括焊裝車間設(shè)備、涂裝車間和總裝車間以及其他零散的設(shè)備。

L2層通過解析各類設(shè)備的通信協(xié)議，采集生產(chǎn)現(xiàn)場各類數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)，以便生產(chǎn)過程的優(yōu)化跟蹤和控制。

本文的操作的主要對象是L1、L2層，即設(shè)備的相互聯(lián)通以及設(shè)備智能監(jiān)控與輔助報(bào)工系統(tǒng)，系統(tǒng)主要分為以下兩部分：

1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)：通過設(shè)備PLC數(shù)采接口連接到現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理以及用戶管理等功能，并通過生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控大屏幕實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)線狀態(tài)；

2）物料跟蹤與輔助報(bào)工：通過RFID物料跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料跟蹤，通過與MES系統(tǒng)的接口，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳給MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輔助報(bào)工。

系統(tǒng)主要功能如圖2所示。

圖2 設(shè)備智能監(jiān)控與輔助報(bào)工系統(tǒng)功能

2 車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，SCADA自動(dòng)化軟件系統(tǒng)也得到了發(fā)展，軟件的控制中心調(diào)度系統(tǒng)對各被控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并且能夠通過顯示器等設(shè)備對各被控制點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。同時(shí)SCADA系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)處理與報(bào)表處理的功能，通過ODBC/JDBC標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與報(bào)表系統(tǒng)連接，可形成圖文數(shù)據(jù)信息報(bào)表。

本項(xiàng)目通過以太網(wǎng)，將監(jiān)控服務(wù)器、MES服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)備連接到同一網(wǎng)絡(luò)，并在監(jiān)控服務(wù)器安裝組態(tài)軟件——組態(tài)王，與現(xiàn)場設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)管理。

在傳統(tǒng)的工業(yè)中，現(xiàn)場設(shè)備種類繁多，并且設(shè)備的PLC型號(hào)、接口等不盡相同，這樣給信息采集帶來了很大的障礙，為了克服這些障礙能夠?qū)⑺性O(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，需要對部分設(shè)備采用了增加網(wǎng)絡(luò)模塊的方式，根據(jù)PLC型號(hào)以及空余通訊口具體分為以下四類：

1）無需外加模塊：

這類設(shè)備都有空余的網(wǎng)口，可以直接通過交換機(jī)接入以太網(wǎng)；

2）增加串口服務(wù)器：

這類設(shè)備只有空余串口，因此需要增加串口服務(wù)器，將串口轉(zhuǎn)為網(wǎng)口接入以太網(wǎng)；

3）增加串口模塊及串口服務(wù)器：

這類設(shè)備只有串口且被占用，因此要同時(shí)增加串口模塊用來通訊、串口服務(wù)器將串口轉(zhuǎn)為網(wǎng)口，從而接入以太網(wǎng)；

4）增加以太網(wǎng)模塊：

整流電源，由于沒有空余的通訊口，因此需增加通訊模塊，這類設(shè)備像PLC型號(hào)為S7-200，就需要增加以太網(wǎng)模塊接入網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)各車間中的設(shè)備中的情況，選擇合適的擴(kuò)展模式，將設(shè)備中的信息采集出來。

3 車間設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車間設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、工位狀態(tài)監(jiān)控、物料跟蹤等方面，硬件系統(tǒng)采用服務(wù)器，軟件系統(tǒng)基于組態(tài)王監(jiān)控軟件開發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，用來存放采集的數(shù)據(jù)。

通過以太網(wǎng)采集設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總、統(tǒng)計(jì)，通過大量的設(shè)備圖形化分析，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備在生產(chǎn)全過程的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控。整個(gè)監(jiān)控界面分為三級。

第一級為主界面，顯示廠區(qū)各個(gè)車間的分布情況，并可通過此界面進(jìn)入二級界面，選擇界面上方的按鈕可查看所有設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及報(bào)警信息，一級界面如圖3所示。

在一級界面中能夠總覽各個(gè)車間的分布情況，方便進(jìn)行查閱各個(gè)車間。第二級為車間界面，圖4為總裝車間的界面，主要顯示車間內(nèi)生產(chǎn)線、工位以及設(shè)備的分布情況，通過設(shè)備信號(hào)燈的顏色可以確定設(shè)備是否處于工作狀態(tài)或有報(bào)警，通過工位上是否有加工的部件可以確定當(dāng)前工位狀態(tài)，另外在界面中點(diǎn)擊設(shè)備即可進(jìn)入設(shè)備的詳細(xì)的狀態(tài)顯示。

圖3 監(jiān)控總界面

圖4 總裝車間

第三級為設(shè)備界面，顯示設(shè)備的狀態(tài)、主要參數(shù)、趨勢曲線、報(bào)警信息等，圖5為設(shè)備界面。在設(shè)備界面中能夠看到相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行的狀態(tài)、報(bào)警信息等信息。

圖5 設(shè)備界面

圖5界面與設(shè)備參數(shù)除在監(jiān)控服務(wù)器上顯示之外，還會(huì)通過組態(tài)王的外部發(fā)布功能在生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)控大屏幕顯示，為方便工作人員在辦公室內(nèi)亦能查看設(shè)備相關(guān)信息，開發(fā)辦公室專用界面，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、運(yùn)轉(zhuǎn)率、故障率等主要參數(shù)。

4 輔助報(bào)工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輔助報(bào)工系統(tǒng)是將設(shè)備加工信息、工位狀態(tài)信息等上傳給MES系統(tǒng)，令MES能夠更好地產(chǎn)出完工報(bào)告，本系統(tǒng)與MES系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互功能，根據(jù)與MES系統(tǒng)的技術(shù)交流，按照如下方式設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫表單。

1）工位狀態(tài)表

工位狀態(tài)表用來顯示是否有工件在工位上，以及工件的車型等信息。

2）完工報(bào)告表

完工報(bào)告記錄了每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，以便MES系統(tǒng)獲取設(shè)備工作情況，每臺(tái)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)完工報(bào)告，因此有多少臺(tái)設(shè)備就有多少個(gè)完工報(bào)告的表單。

3）完工索引表

由于完工報(bào)告表單眾多，MES系統(tǒng)直接查詢會(huì)降低效率，完工索引表是用來記錄完工報(bào)告中有更新的設(shè)備，MES系統(tǒng)通過完工索引表中的記錄便可直接查詢該設(shè)備對應(yīng)的完工報(bào)告表，并且查詢后將該條記錄刪除，不影響后續(xù)查詢，從而提高查詢效率。

4）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表用來記錄每臺(tái)設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)，以便MES系統(tǒng)查詢以及監(jiān)控界面的顯示，每臺(tái)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表。

5）報(bào)警信息表

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表用來記錄每臺(tái)設(shè)備的報(bào)警信息，以便MES系統(tǒng)查詢以及監(jiān)控界面的顯示，每臺(tái)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)報(bào)警信息表。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)電動(dòng)汽車車間向數(shù)字化工廠的轉(zhuǎn)變，必須經(jīng)歷智能制造系統(tǒng)的升級，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理的模式，實(shí)現(xiàn)無紙操作的目的，就需要各個(gè)車間設(shè)備的運(yùn)行的狀態(tài)，需要監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率，方便管理人員的查看與維護(hù)。本文提出的信息采集與監(jiān)控系統(tǒng)，對傳統(tǒng)工業(yè)的升級與改造有著重大的意義，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠的建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。