大數據環境下車間級數字化信息交互系統設計

王思，胡志敏，尹招磊，鄭少宏

（1.云南白藥集團股份有限公司；2.紅云紅河集團昆明卷煙廠，云南 昆明 650500）

隨著全球制造技術轉型升級，以信息技術和自動化技術深度融合為主要特征的新一輪科技革命與產業變革已經到來，大批企業以數字化、網絡化、智能化制造技術應用為重點，力圖依靠科技創新，提升企業自身軟實力，謀求未來發展的主動權。

近年來，大量專家學者對車間數字化建設進行了大量研究與實踐。王誠意等基于Wicc 實現車間數字化管理與控制系統設計，提高了企業的生產效率與管理水平；沈文彥通過OPC 技術整合現場各控制系統的實時數據，實現了MES 系統的數據快速高效的交互功能；喬彬在傳統生產線基礎上，增加信息化系統，實現制造管理過程信息在生產過程各環節中共享與展示；章秋生指出應用OPC 技術可以很方便的建立第三方設備與DCS 系統之間的數據通訊；羅鳳等描述了一種智能工廠體系架構，并建立智能工廠總體體系框架結構；蔡萌萌等表明在大數據時代背景下，數據挖掘可以提供高效、實時和準確的多維數據分析、報表統計，為企業運營分析提供全面支持。但由于國內許多制造企業生產設備老舊，生產工序復雜，以及工人在生產時隨意性操作等原因，其實際生產過程中的可靠性及信息化等還遠達不到數字化生產的需求。

某傳統制造車間在生產與管理上存在如下一些典型問題：（1）車間生產工序較多，其生產線各工位均使用單機設備，無法實現生產過程數據匯總、存儲、查詢以及分析；（2）無法全面實現整個作業區設備故障記錄及診斷方法的記錄，多次出現的故障的解決技能、經驗的無法傳承；（3）備品備件采購、保管、使用較為分散，無法實時快速匯總、更新庫存信息，實現備品備件最優管理；（4）產品、訂單、人員信息未進行有效關聯，無法精確對人員進行有效考評。針對以上存在問題，采用先進的自動化、信息化技術設計一套適用于該生產車間的生產管理系統，實現生產過程數據自動采集、在線監測以及數據分析，并集班組管理、訂單管理、設備維護管理和備品備件管理于一體的高效、科學化管理。從而實現生產過程、生產計劃以及現場管理全過程的有機結合起來，使之能夠運用先進的數據處理與分析技術進行生產分析與管理，推動生產車間向數字化管理邁進。

1 車間數字化信息交互系統設計方案

為實現底層數據自動采集及頂層數據深度挖掘并反饋指導底層，本設計以產品生產全周期數據為中心，采用C/S 結構和“集中管理、分布監測、靈活構建”的思想，以一臺計算機作為核心服務器，工廠內部局域網為主要通訊媒介，實現對生產活動管理以及生產過程數據監測、采集、存儲、運算、分析，構建可靠性強、效率高、共享度高的信息管理模式，如圖1 所示。

圖1 車間數字化信息交互系統信息管理模式

（1）過程數據采集端，各工位控制器將其底層傳感器獨立采集的過程信號處理轉換為上位機可識別的數據信息，并通企業局域網與數據庫服務器和數字化信息管理系統進行數據交互。

（2）數據庫服務端，數據庫服務器主要實現生產過程數據存儲，不同實體信息關聯功能，為數字化信息管理系統實現產品追溯查詢、過程數據分析、挖掘提供數據基礎。

（3）數字化系統運用端，數字化信息管理系統深入挖掘生產過程數據背后隱藏的信息、知識、智慧，并實現數據可視化，以更為直觀、高效的方式強化、指導管理者進行決策分析。

2 系統功能設計

為滿足設計需求，車間級數字化信息交互系統分為生產監視、設備維護、數據分析、生產計劃、員工管理等功能模塊，如圖2 所示。生產監視模塊為現場信息看板，其實時展示各工位生產狀況；數據分析模塊基于數據庫數據實現可視化展示，充分挖掘人對可視化信息認知優勢；生產計劃模塊實現訂單、班次和人員關聯管理；設備維護模塊以構建本車間設備故障診斷知識庫為目的，最終實現人員技能、知識共享與傳承；備件管理模塊實時更新庫存，實現車間備品備件最優庫存；用戶管理模塊主要提供系統用戶新增、刪除以及權限分配功能。

圖2 車間數字化信息交互系統功能模塊設計

圖3 OPC 在控制系統中的位置

3 OPC Server 部署

OPC 是一種連接PLC、DCS、條形碼讀取器等數據提供源（OPC 服務器）和數據使用者（OPC 應用程序）之間的軟件接口標準，以實現不同供應廠商的設備和應用程序之間數據交互。隨控制系統構成不同，其作為數據提供源的OPC 服務器既可以是和OPC 應用程序在同一臺計算機上運行，也可以是在另外的計算機上獨立運行。如圖3 所示，OPC 接口可通過網絡把最底層的控制設備的原始數據提供給作為數據使用者（OPC 應用程序）的HMI/SCADA，批處理等自動化程序，甚至更上層的歷史數據庫等應用程序，也適用于應用程序和物理設備的直接連接，所以OPC 接口廣泛應用于具有高度柔軟性系統中。

KEPServerEX 是PTC 公司推出的一款專業的OPC 服務器軟件，支持超過250 種通信協議，幾乎能和所有的第三方數據設備進行通信。本文選擇KEPServerEX 作為第三方OPC Server 完成對各工位過程數據的讀寫。OPC Server 配置流程如圖4，KEPServerEX 測試結果如圖5 所示。

圖4 OPC Server 配置流程

圖5 KEPServerEX 測試

4 數字化信息交互系統實現

本設計基于Visual Studio 2017 開發平臺完成，VS2017 具有強大的設計器，編譯器，調試器等，不僅整合了對象、關系型數據、XML 的訪問方式，使語言更加簡潔，且其具有豐富的可調用控件，以及設計過程中自動提示和重構功能，功能強大、方便、實用。

4.1 基于OPC DA Server 的數據讀寫過程實現

利用C#開發OPC 窗體應用程序時，實現OPC 自動化接口的OPC 包裝庫是必須的，這個OPC 包裝庫一般會由OPC 服務器的供應商提供，本設計使用OPC 基金會提供OPCDAAuto.dll（可在www.opcfoundation.org 下載），開發前需將OPCDAAuto.dll 添加引用到項目中。

在OPC 數據存取規范中, 一個OPC 的數據存取服務器中包括三類對象：服務器對象(OPC SERVER)、組對象(OPC GROUP)和數據對象(OPC Item)。以下為C#訪問OPC SERVER 開發的部分程序。

（1）創建OPC Server 對象，并連接

OPCServer KepServer;

KepServer.Connect(KepServerEX.V6,”Wangsi-PC”);

（2）創建OPC Group 對象，并添加到OPC Server 中

OPCGroup KepGroup;

KepGroups = KepServer.OPCGroups;

KepGroups.Add(“MyGroup”);

（3）創建OPC OPCItems 對象，并添加到OPC Group 中

OPCItems KepItems;

KepItems = KepGroup.OPCItems;

KepItems.AddItems(this.OPC List.Count,ref strTempIDs, ref strClientHandles, out strServerHandles, out iErrors);

（4）定時異步讀取OPC Server 數據

KepGroup.AsyncReadComplete += KepGroup_AsyncReadComplete;

void Kep Group_Async Read Complete(int Transaction ID, int NumItems, ref Array ClientHandles, ref Array ItemValues, ref Array Qualities, ref Array TimeStamps, ref Array Errors)

（5）異步寫入OPC Server 數據

Kep Group . Async Write ( NumItems,writeServerHandles, writeArrayHandles, out writeErrors, writeTransID, out writeCancelID);

（6）斷開連接

KepServer.Disconnect()。

4.2 人機交互界面開發實現

根據統功能模塊設計需求完成相應windows 窗體設計開發如圖6 ～9 所示（部分）。

圖6 系統監視主界面

圖7 系統數據報表

圖8 統計數據分析

圖9 系統應用現場

系統監視界面中實現各工位實時數據、班組信息展示以及重點工藝參數監視；數據報表中以訂單號為主鍵，整合班組、產量關聯信息；統計數據分析根據歷史數據實現查詢條件內數據可視化展示。系統開發完成后，按照實際工藝流程分別對各功能模塊進行測試，并核對系統數據和現場數據保持一致，可將本系統應用于實際生產車間。

5 結語

本文以開發和利用數據資源為對象，借助互聯網開放、共享優勢，基于C#與OPC DA 技術開發車間級數字化信息管理系統，實現生產過程數據整合、記錄、分析與共享，確保各生產數據真實、完整、可追溯，并建立相關事件處理知識庫，依托系統采集的大數據優勢，摒棄以個人主觀經驗為向導的事件診斷方式，由系統提供最優解決方案，有助于提高制造車間生產效率和管理水平，其對傳統制造車間向數字化生產、智慧管理升級具有一定的借鑒作用。