智能工廠設(shè)備建模問題研究

于 瀅，李 準(zhǔn)，邱燕超，王澤璋，孫天寶，劉靖輝

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 102200；2.北京工商大學(xué)，北京 100048)

0 引言

本文背景工廠為某壓縮機(jī)工廠，設(shè)備層的生產(chǎn)設(shè)備種類多樣，通信協(xié)議則存在差異，以目前影響力最大的3個(gè)自動(dòng)化廠家如MODICON主要采用了Modbus協(xié)議、AB主要采用Ethernet/IP協(xié)議、SIEMENS則主要采用Profibus工業(yè)局域網(wǎng)協(xié)議。這使第三方設(shè)備供應(yīng)商在選擇工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)面臨選擇，最終通信接口只能選擇一種，因此造成了互聯(lián)互通困難[1]。設(shè)備互聯(lián)互通包括基于CPS架構(gòu)的設(shè)備通信及建模。以CPS為基礎(chǔ)，由智能工廠、智能生產(chǎn)和智能物流3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能制造框架。CPS的意義在于將物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，使物理設(shè)備更加智能。國(guó)內(nèi)各工廠現(xiàn)狀使得改變物流系統(tǒng)工程巨大，短期難以實(shí)現(xiàn)，因此智能工廠子系統(tǒng)及智能生產(chǎn)子系統(tǒng)是各工廠向智能工廠演進(jìn)的重要路線[2]。基于CPS的設(shè)備定義與建模使設(shè)備與設(shè)備之間可互相通信，從而實(shí)現(xiàn)工廠中設(shè)備的互聯(lián)互通。

1 多源異構(gòu)通信協(xié)議

1.1 互聯(lián)互通現(xiàn)存問題

該廠現(xiàn)有的生產(chǎn)化結(jié)構(gòu)中，每條生產(chǎn)線包含多臺(tái)設(shè)備，每類產(chǎn)品由一條或多條生產(chǎn)線生產(chǎn)而成，設(shè)備之間獨(dú)立又有聯(lián)系。為實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，首先要使設(shè)備到上位機(jī)以及設(shè)備到設(shè)備之間能建立起通信。因此制定出以下數(shù)據(jù)采集通信方案，方案如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集方案

將每條生產(chǎn)線中的幾臺(tái)設(shè)備連接至同一網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)模塊經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)接入上位機(jī)。為能與生產(chǎn)線中每臺(tái)設(shè)備建立通信，需首先將設(shè)備連接至網(wǎng)關(guān)模塊，為減少成本和增加可行性，根據(jù)工廠中設(shè)備現(xiàn)有情況進(jìn)行改裝。

表1 車間設(shè)備接口現(xiàn)狀及處理辦法

裝配車間中典型生產(chǎn)設(shè)備如氣缸調(diào)芯機(jī)、殼體熱套機(jī)、線外充磁機(jī)、底座焊機(jī)及自動(dòng)封油機(jī)均的PLC品牌均為歐姆龍品牌，而軸承調(diào)芯機(jī)為三菱品牌。同時(shí)同一品牌中的機(jī)器亦是對(duì)應(yīng)不同型號(hào)，型號(hào)間構(gòu)造差異使設(shè)備連接困難增加。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，裝配車間目前典型的采集口現(xiàn)狀分別有：有空閑的232接口、有無法通信但可轉(zhuǎn)接的USB接口、有被占用的通信網(wǎng)口，還存在有USB接口但不能通信且不支持?jǐn)U展。對(duì)應(yīng)的處理方法為有接口的連接通信線進(jìn)行連接通信，或接入有線/無線網(wǎng)橋進(jìn)行通信等。

1.2 通信協(xié)議結(jié)構(gòu)解析

智能工廠的設(shè)備層及單元層的互聯(lián)互通在于互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)議的互聯(lián)互通。工廠中擁有多種品牌設(shè)備，每種品牌所支持通信協(xié)議可能不同。經(jīng)調(diào)研改裝后，工廠中設(shè)備連接后數(shù)據(jù)可經(jīng)過網(wǎng)關(guān)向上傳輸，但數(shù)據(jù)上傳后因通信協(xié)議不同或設(shè)備接口不支持而無法進(jìn)行通信，因此，需對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行通信協(xié)議結(jié)構(gòu)解析，得到統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)段，從而進(jìn)行互聯(lián)互通[3]。因此，在設(shè)備層與服務(wù)器層中，設(shè)備健康管理及能源預(yù)測(cè)中采用基于CPS的設(shè)備定義及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)中將預(yù)存3000余種通信協(xié)議，使系統(tǒng)可隨工廠設(shè)備支持的協(xié)議進(jìn)行通信協(xié)議定制。

以三菱品牌中Q02UCPU型號(hào)為例，該設(shè)備采用的是Modbus協(xié)議，這是一種主從通信結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹欢x了協(xié)議層，支持多種電氣接口，包括RS-232、RS-485甚至是以太網(wǎng)。Modbus的通信協(xié)議是公開的，可按照Modbus協(xié)議格式進(jìn)行破解報(bào)文信息。如表2所示，Modbus幀結(jié)構(gòu)包含4個(gè)部分：地址域、功能碼、數(shù)據(jù)段及差錯(cuò)校驗(yàn)。

表2 Modbus幀結(jié)構(gòu)

地址域?yàn)槟康牡刂罚δ艽a為操作方式，數(shù)據(jù)為真正要傳輸?shù)膬?nèi)容，校驗(yàn)位則是檢驗(yàn)傳輸是否有誤，因此，破解Modbus幀結(jié)構(gòu)只需按其結(jié)構(gòu)拆解即可獲得數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，以Modbus RTU為例，將寄存器與數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，從而對(duì)寄存器進(jìn)行操作，對(duì)應(yīng)關(guān)系舉例如表3所示。

表3 寄存器說明

通過對(duì)不同編碼段的定義對(duì)應(yīng)Modbus幀結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和寄存器實(shí)現(xiàn)通信，采集解析后的數(shù)據(jù)均采用double格式轉(zhuǎn)為12字節(jié)，并以變量值形式存儲(chǔ)。

通信方法一：通信協(xié)議公開，則根據(jù)相應(yīng)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信協(xié)議為解析變量值，并以變量值形式存儲(chǔ)。

通過對(duì)企業(yè)內(nèi)部各因素競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境優(yōu)劣勢(shì)歸納分析，采取積極改進(jìn)措施，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、減少劣勢(shì)，是增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力重要手段。對(duì)西部礦業(yè)來說，企業(yè)文化、人力資源、資源儲(chǔ)備、技術(shù)設(shè)備都是影響其內(nèi)部環(huán)境的主要因素。

通信方法二：通信協(xié)議不公開，如西門子MPI幀結(jié)構(gòu)為保密的協(xié)議，因此需要通過接口函數(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

通過設(shè)備互聯(lián)互通解決大工廠中設(shè)備種類繁多不易全面互聯(lián)的基本問題，將物理設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)架構(gòu)與上位機(jī)服務(wù)器全面互聯(lián)，使工廠在物理設(shè)備層可達(dá)到智能工廠全面互聯(lián)的基礎(chǔ)條件。

2 設(shè)備定義與建模

工廠中設(shè)備可與上位機(jī)通信后，服務(wù)器則需標(biāo)識(shí)每臺(tái)設(shè)備并構(gòu)成設(shè)備樹，便于管理與通信。該工廠有兩個(gè)分工廠，位于不同地理位置，架構(gòu)相同，其中第一分工廠中有3個(gè)車間：卷線車間、機(jī)加車間及裝配車間，每個(gè)車間中有多條生產(chǎn)線由不同設(shè)備組成，設(shè)備從功能上又可分為兩類：通信設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備。因此對(duì)工廠中各設(shè)備進(jìn)行管理采用逐層定義的方式，由工廠-車間-生產(chǎn)線-設(shè)備進(jìn)行逐層定義。

2.1 設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)

參照OID定義工廠中每類設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)，使工廠中設(shè)備全面互聯(lián)互通，提升工廠中設(shè)備開動(dòng)率。在工廠車間中，生產(chǎn)或裝配同一的不同生產(chǎn)線有很多條，即冗余工作需做很多。采用工廠建模，對(duì)同類設(shè)備采集相同變量時(shí)進(jìn)行模型建立，將每個(gè)設(shè)備作為對(duì)象，對(duì)對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置并采集，提升工作效率。因此，參照OID定義工廠中每類設(shè)備：定義第一分工廠中通信設(shè)備為GTX(1.1.)即第一分工廠第二車間為GSC(1.2.)；第一車間中設(shè)備定義細(xì)分如表4所示。

表4 第一車間中設(shè)備定義

本課題對(duì)工廠中通信設(shè)備標(biāo)識(shí)為GTX，第一車間為GTX_1，第一車間中生產(chǎn)線A為GTX_1.1，生產(chǎn)線B為GTX_1.2，依此類推，對(duì)車間中每臺(tái)設(shè)備進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)。

對(duì)第一分工廠中的裝配線進(jìn)行了唯一標(biāo)識(shí)，整條裝配線包括上殼體焊機(jī)、下殼體焊機(jī)、底座焊機(jī)、轉(zhuǎn)子熱套、殼體熱套及高頻焊。設(shè)備工藝參數(shù)通過網(wǎng)關(guān)上傳至服務(wù)器。表5定義了第一分工廠中某條裝配線的設(shè)備。

表5 第一分工廠裝配線設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)

裝配線共有6臺(tái)設(shè)備流水線作業(yè)，分別為：轉(zhuǎn)子熱套、殼體熱套、上殼體焊機(jī)、下殼體焊機(jī)、底座焊機(jī)及高頻焊。根據(jù)上述標(biāo)識(shí)規(guī)則，轉(zhuǎn)子熱套標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.1，殼體熱套標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.2，上殼體焊機(jī)標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.3，下殼體焊機(jī)標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.4，底座焊機(jī)標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.5，高頻焊標(biāo)識(shí)為GSC_1.1.6。為采集各設(shè)備工藝參數(shù)等信息，因?yàn)樵O(shè)置服務(wù)器IP，定為192.168.1.67，即將192.168.1頻段分給各網(wǎng)關(guān)使用，此裝配線對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)定義靜態(tài)IP為192.168.1.34，便于識(shí)別。同時(shí)網(wǎng)關(guān)給各設(shè)備分配IP地址，定義地址段在192.168.70.1—192.168.70.19區(qū)間，隨即將192.168.70.1分配給轉(zhuǎn)子熱套，192.168.70.2分配給殼體熱套，依此類推，唯一標(biāo)識(shí)每臺(tái)設(shè)備。

采集系統(tǒng)中需采集各設(shè)備工藝參數(shù)，某裝配線中上殼體焊機(jī)采集變量點(diǎn)如下表6所示。采集某變量時(shí)需對(duì)該變量對(duì)應(yīng)的基本屬性逐一進(jìn)行定義。如收弧時(shí)間變量屬性包括：采集設(shè)置、數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)記憶、計(jì)算邏輯、工程單位等。每臺(tái)設(shè)備需采集幾十個(gè)變量，而每一個(gè)變量均需依次設(shè)置基本屬性，而在工廠車間中，生產(chǎn)或裝配同一產(chǎn)品的不同生產(chǎn)線有很多條，即冗余工作需做很多。

表6 上殼體焊機(jī)采集收弧時(shí)間變量基本屬性

2.2 設(shè)備建模

將工廠架構(gòu)分為3層框架進(jìn)行設(shè)備建模，框架如圖2所示。

圖2 某壓縮機(jī)工廠設(shè)備建模三層框架

第一層設(shè)備結(jié)構(gòu)建模是建立多層次建模的基礎(chǔ)，主要包括相同設(shè)備及流程設(shè)備的工藝參數(shù)設(shè)置。工廠中多由多條生產(chǎn)線生產(chǎn)同種零件或產(chǎn)品，生產(chǎn)或裝配同一產(chǎn)品的需求使不同生產(chǎn)線需進(jìn)行相同的配置并采集相同的工藝參數(shù)，因此會(huì)產(chǎn)生繁雜的冗余工作，采用依托數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備采集變量點(diǎn)建模，減少人工重復(fù)性工作易產(chǎn)生的錯(cuò)誤及冗余工作帶來的負(fù)擔(dān)。

智能工廠系統(tǒng)中不同的功能模塊包括：工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、工業(yè)實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、智能工廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)、智能工廠展示系統(tǒng)等軟件或者服務(wù)，都要基于統(tǒng)一的系統(tǒng)模型，也就是按照統(tǒng)一的模型體系進(jìn)行建模，包括模型屬性、模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)成員、模型計(jì)算點(diǎn)成員、模型計(jì)算邏輯、模型圖形等，模型建立之后，其生成的對(duì)象的不同部分會(huì)自動(dòng)分配到不同的系統(tǒng)去運(yùn)行，比如對(duì)象的監(jiān)測(cè)點(diǎn)成員會(huì)分配到工業(yè)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中、對(duì)象的

計(jì)算邏輯和計(jì)算點(diǎn)成員會(huì)分配到工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中、對(duì)象的圖形會(huì)分配到智能工廠展示系統(tǒng)中等，實(shí)現(xiàn)模型對(duì)象的自動(dòng)對(duì)接。超大規(guī)模設(shè)備、超大規(guī)模監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果還像傳統(tǒng)的智能工廠、工廠自動(dòng)化那種方式，通過逐個(gè)構(gòu)建監(jiān)測(cè)點(diǎn)、構(gòu)建圖形、構(gòu)建計(jì)算邏輯的方式，是難以實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的智能工廠系統(tǒng)的構(gòu)建的。

第二層模型抽象是工廠管理設(shè)備的基礎(chǔ)，將工廠中設(shè)備抽象為點(diǎn)，構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)，便于直觀體現(xiàn)設(shè)備間的關(guān)系，為第三層建模打下基礎(chǔ)。用戶可根據(jù)工廠中現(xiàn)場(chǎng)情況定制模型結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品鏈驅(qū)動(dòng)的模型結(jié)構(gòu)、同類設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模型結(jié)構(gòu)等。針對(duì)工廠中以生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)，建立了產(chǎn)品鏈驅(qū)動(dòng)的模型結(jié)構(gòu)，將生產(chǎn)同一產(chǎn)品的不同生產(chǎn)線只需添加設(shè)備至樹狀結(jié)構(gòu)下，通過一鍵建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)模型層次中的相同位置每臺(tái)設(shè)備即被設(shè)置相同的配置并采集相同的對(duì)象屬性變量點(diǎn)。以裝配車間部分設(shè)備樹狀結(jié)構(gòu)為例，如圖3所示。

圖3 裝配車間部分設(shè)備樹狀結(jié)構(gòu)

第三層設(shè)備邏輯建模為管控設(shè)備生產(chǎn)流程的基礎(chǔ)，以生產(chǎn)線為例，生產(chǎn)線條數(shù)n，?n∈N，通常工廠中的生產(chǎn)線的生產(chǎn)率是基于工廠中該條生產(chǎn)線的零件檢驗(yàn)及分析數(shù)據(jù)以及歷史生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。現(xiàn)實(shí)中生產(chǎn)線的生產(chǎn)率與期望值會(huì)存在誤差，因此定義智能工廠建模中，誤差生產(chǎn)率用γ描述，在每次生成過程中基于一定規(guī)則隨機(jī)產(chǎn)生。對(duì)于?out∈OUT，有：

Ye，n，out=Yr，n，out+γr，n，out

(1)

-YVnYr，n，out≤γr，n，out≤YVnYr，n，out

(2)

于是該生產(chǎn)線進(jìn)出零件流量平衡方程：

(3)

對(duì)于生產(chǎn)線分流點(diǎn)及匯流點(diǎn)，功能相似，分流點(diǎn)為一條生產(chǎn)線接入下一條或多條生產(chǎn)線的節(jié)點(diǎn)；匯流點(diǎn)為多條生產(chǎn)線生產(chǎn)同種零件并轉(zhuǎn)入多條生產(chǎn)線同時(shí)進(jìn)行同種加工的節(jié)點(diǎn)。

(4)

(5)

對(duì)于生產(chǎn)線匯流點(diǎn)，加工后的零件生產(chǎn)線出的流量通過匯流點(diǎn)的流量平衡方程直接獲得。而對(duì)于生產(chǎn)線分流點(diǎn)，由于起到分流的作用，所以在制定計(jì)劃時(shí)，流量應(yīng)該有相應(yīng)的期望，即有指令流量平衡方程如式(6)所示，由于上條生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的不確定性可能導(dǎo)致Fn，in，t≠FOn，in，t，即期望零件進(jìn)入生產(chǎn)線流量不等于零件進(jìn)入生產(chǎn)線指令流量[3]。因此對(duì)每條生產(chǎn)線出零件流量采用按比例平均分配方式，滿足(7—8)：

(6)

(7)

in=IN，?n∈SP，?out∈OUT

(8)

本文通過對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備建模達(dá)到控制同種零件生產(chǎn)排產(chǎn)等作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)零件生產(chǎn)需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行按需配置。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)工廠向智能工廠轉(zhuǎn)型時(shí)設(shè)備互聯(lián)互通困難問題研究了智能工廠設(shè)備建模，為工廠智能化提供基礎(chǔ)。所研究建模問題解決了某壓縮機(jī)工廠目前存在的互聯(lián)互通問題，對(duì)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析，在工廠中對(duì)設(shè)備進(jìn)行了唯一標(biāo)識(shí)及設(shè)備建模，為工廠向智能工廠轉(zhuǎn)型打下了基石，通用性較強(qiáng)。