自動化產線實時監控系統的設計與實現方法

劉旭

[摘 ? ?要]隨著我國工業化自動水平的提升，對于車間管理數字化水平也提出了更高的要求。在這樣的情況下，自動化產線實時監控系統逐步應用于生產的各個環節中，進而為故障快速定位與優化管理奠定基礎。基于此，對自動化產線實時監控系統的總體架構進行分析，對數據采集、數據傳輸、數據處理等方面的技術應用加以探究，進而有效推進其中核心模塊與關鍵技術的具體實踐，促進全方位管理水平的提升。

[關鍵詞]自動化;實時監控系統;數據處理技術;數據采集技術

[中圖分類號]TP277 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）01–000–04

[Abstract]With the improvement of my country's industrialization automation level， higher requirements have been put forward for the digital level of workshop management. Under such circumstances， the real-time monitoring system of the automated production line is gradually applied to all links of production， thereby laying the foundation for fast fault location and optimized management. Based on this， analyze the overall architecture of the real-time monitoring system of the automated production line， explore the technical applications of data collection， data transmission， data processing， etc.， and effectively promote the specific practices of the core modules and key technologies， and promote all-round management The level of improvement.

[Keywords]automation; real-time monitoring system; data processing technology; data acquisition technology

近年來，信息化技術的蓬勃發展使得工業生產進入到全新的發展領域，而大數據、虛擬制造技術以及數字孿生等理念的引入也為工業智能制造的發展奠定了堅實基礎。然而就當前的發展水平來看，我國工業車間的數字化水平仍有較大的提升空間，加上相關人員往往會將管理重點放在設備運行性能上，在一定程度上忽略了車間整體加工流程與監管的優化，因此有必要不斷加強產線監控系統的設計與完善。

1 自動化產線實時監控系統的研究意義

現階段，我國智能制造領域迎來了長足的發展，包括先進的智能監控技術、數據采集技術等。信息技術開始被引入到車間生產過程當中，為數據的采集、存儲以及分析過程提供穩定的技術支持。與此同時，為進一步確保數控機床、自動化設備等的穩定運行，應充分應用虛擬模型與物理數據對其進行實時監控。當前，越來越多國內外的學者開始投入到相應的技術研究當中，其主要研究領域集中于數據采集、數據集成以及可視化監控技術等方面，雖然比較廣泛但仍沒有形成一個完整的體系，這也就成為了技術人員在未來發展過程中需要努力的方向。結合現階段的發展趨勢來看，其整體的發展重點主要集中于以下幾個方面：

（1）車間生產過程中會涉及到各類來自不同廠家的不同型號的設備，因此會存在一定的數據信息互通與兼容問題。在這樣的情況下，技術人員需要不斷加強對數據采集系統的開發，保證其可以適應不同特定環境下的要求，并提供完善的系統解決方案。

（2）要想及時掌握產線各類設備的運行情況，就需要加強對監控系統的研究。在以往的監控過程中，大多采用二維圖表的形式，不僅難以獲取良好的交互效果，同時還存在監控不全面的問題。在自動化監控系統的運行下，應實現對物料信息、人員信息、設備狀態、產品信息等內容的全覆蓋。

（3）數字化轉型已經成為我國制造行業發展的必然趨勢，因此有必要結合車間生產的實際情況對可以實現建模、性能仿真、實時監控等多功能的信息平臺展開系統研究。總體來說，制造業數字化發展趨勢對于車間生產提出了更高的要求，加強對自動化產線實時監控系統的研究不僅可以實現對車間設備的統一管理，同時還可以提升整體生產進度的交互性與可視化，更好地滿足虛實融合環境下的發展要求。

2 自動化產線實時監控系統的總體架構

2.1 數據特點

通常情況下，車間自動化產線在運行過程中可能會涉及到PLC、AGV、數控機床等各種類型的設備控制系統，各個設備之間通過相互協調來進行生產要素的合理配置，從而最大限度提升生產資源的利用效率。具體來說，自動化產線的數據特點主要包括以下方面。

（1）多源異構性。自動化產線會涉及到多樣化的加工運輸設備，因此其中也包括多種操作系統。在這樣的情況下，各類數據之間難以有效互通，造成信息孤島問題的加劇。

（2）動態繁雜性。自動化產線在運行的過程中其動態數據也是在不斷變化的，同時還具有數據量龐大以及更新速度快的特點。

（3）關聯協同性。為進一步提升各設備控制的精準性，自動化產線中的相關數據往往需要構成一個完整的閉環。例如總控向子系統發送指令之后，子系統需要結合生產環境以及自身狀態進行判斷，并向總控發送不同的反饋信息。因此，自動化產線數據在進行生產任務的過程中具有關聯協同的特點。

2.2 功能設計

自動化產線實時監控系統的核心任務在于滿足車間的信息化監控管理需求，其內部也需要進行一定的功能設計，而功能設計的具體內容將會直接影響到監控系統最終的運行效果。具體來說，自動化產線實時監控系統的功能主要涉及到以下方面。

（1）數據的采集、存儲與集成。監控系統可以有效實現對PLC以及數控系統等的訪問，進而獲取設備上的關鍵信息，確保可以將這部分信息與設備的運行狀態存入到網絡云數據庫中。值得注意的是，數據庫內部還存在相應的數據傳輸通道，為數據之間的實時交互提供便利條件。

（2）實時監控。監控系統所展示的內容主要可以分為兩個大類，一類是虛擬環境中數據之間的映射關聯，展現出三維模型的動態變化;另一類是各類設備的實時運行狀態，進而有效完成對工業生產的全過程跟蹤。

（3）訂單管理。監控系統可以完成簡單的訂單處理與產量統計工作。

（4）系統管理。主要包括用戶管理、權限分配、任務查看等方面的工作。

2.3 框架體系

車間生產環境具有較強的復雜性，包括十分多樣化的智能設備與非智能設備，進而可以在一定范圍內實現自我控制與自我調節。結合當前實際運行情況來看，車間生產環境中的非智能設備主要包括光電傳感器、伺服電機、氣缸等，而智能設備大多為具有中央控制系統的設備，可以有效連入工業以太網并進行數據采集。值得注意的是，包括西門子、歐姆龍在內的很多智能設備生產廠家會通過設置基于OPC技術開發的數據接口來為后續產線運行相關數據的采集與分析提供便利條件，或由上位機與數據庫搭建信息采集處理平臺進行數據采集與處理。系統將進一步便于用戶進行數據采集與分析，令設備的利用頻率顯著提升，這樣可以減少總體的工作量，讓相關人員從物理底層設備的開發中解放出來，進而將更多的精力投入到關鍵數據的分析與處理當中。為提升整體系統運行的流暢性，監控系統的整體體系框架結構仍會按照常規數據采集、數據存儲以及數據分析的流程進行。

3 自動化產線實時監控系統數據采集與處理技術

3.1 數據采集技術

目前智能制造的自動化產線實時監控系統在進行數據采集的過程中主要應用的是PLC通信技術，其主要涉及到服務器連接、點位數據顯示等模塊。基于PLC的數據采集客戶端程序運行流程主要包括。

（1）用戶進入到OPC客戶端并啟動。

（2）用戶需要完成相應的窗口初始化與運行程序初始化的任務，在完成之后系統會對XML文件信息進行讀取，同時待訪問的PLC地址會通過窗口進行顯示。

（3）系統會對OPC Server服務器端進行連接，并保證客戶端地址與PLCIP地址處于同一網段。

（4）在完成PLC硬件連接工作之后會對客戶端相關數據進行更新，并將其儲存到數據庫中。

（5）斷開PLC客戶端服務器連接，并結束整體程序的運行。在PLC數據采集技術運行的過程中，最關鍵的環節就是采集對象、采集周期以及數據庫儲存周期的確定。為提升車間整體的運行效率，可以將采集對象設置為XML文檔，為后續的開發提供便利條件;考慮到數據采集與儲存的實時性，可以將PLC數據采集周期設定為250 ms，但還會進一步根據后續的監控效果進行調整。

3.2 數據傳輸技術

數據傳輸的對象主要為數據采集區域、數據庫與監控環境，而數據傳輸技術是主要是在Socket通信原理的基礎上構建相應的數據庫服務器端，從而實現各個模塊之間數據的有效傳輸。Photon Server服務端的構建是Socket通信原理在自動化生產環境下一種十分重要的表現形式，同時在TCP/IP協議的基礎上完成數據傳輸，并通過Socket來進行數據的組織與實現。Socket通信架構具體實現連接的途徑主要包括。

（1）完成服務器端與客戶端的創建，同時還需要進行Server Socket端口號的綁定。

（2）建立服務器端與客戶端之間的連接。

（3）根據使用協議中的內容，由客戶端寫入數據、服務端讀取數據，并進行相互之間的數據交互。

（4）完成數據的讀寫以后還需要由客戶端發送結束連接，代表整體的數據傳輸流程結束。

3.3 數據處理技術

自動化監控系統涉及到的數據信息主要包括靜態數據與時變數據。其中靜態數據主要包括設備型號及其參數等，而時變數據則主要包括設備運行狀態與生產進度等，這部分數據并不會一成不變，而是會隨著時間而發生改變。為進一步提升數據處理的有效性，自動化監控系統可以引入數據庫建模方法對這部分數據進行高效存儲與讀寫。在此過程中，需要對數據庫的基本結構進行優化設計，進而實現提升讀寫性能、減少數據冗余以及提升數據一致性的目的。

4 自動化產線實時監控系統核心模塊與關鍵技術

4.1 數據采集系統

在實時監控系統設計過程中，需要聯合數據采集系統，對監控數據進行匯總分析，而后指引監控系統調整監控范圍，并為總控中心系統提供可靠依據。因此，在系統研發階段應加強數據采集系統的開發。在系統運行時，常需要通過數據采集、數據分析、數據存儲對監控信息進行合理利用，既能維護生產車間的自動化生產安全，又能預測生產趨勢，以便提前消除不良隱患，為生產計劃的順利完成給予保障。作為實時監控系統中的子系統，數據采集系統在其設計環節，要求同通訊程序建立密切關聯，即實時監控系統運行的同時，也將啟動數據采集子系統。而后從監控界面采集有用數據，并實施自動化存儲，以供管理者及時掌握車間自動化生產過程中的實際情況。同時可以在全程回放、定位回放不同模式下查詢采集存儲的數據，借此優化自動化產線監控效果。

4.2 監控系統設計

在監控系統設計當中，鼠標點擊交互技術占據了十分關鍵的地位，鼠標點擊交互可以最大限度地發揮三維監控系統的交互性，實現多維度的數據信息獲取，增強對于設備運行狀態的了解。鼠標點擊交互是實現交互功能設計的重要途徑，相關技術具體的實現流程主要涉及到以下環節。

（1）通過用戶鼠標完成信號點擊。

（2）在點擊之后完成坐標值的獲取。

（3）結合坐標位置、深度以及視野范圍等具體參數來實現坐標值的轉換。

（4）通過攝像機與坐標位置連接，并模擬發出射線，判斷射線與場景模型的位置關系。如果在第一次操作過程中實現相交，那么就可以直接進行數據返回，并完成操作響應;如果射線與場景模型不相交，則需要由操作人員返回到第一步，并完成上述鼠標的點擊過程。

4.3 自動化數字集成系統搭建

在數字化與信息化技術的應用下，自動化數字集成功能在自動化監控系統中實現了更加突出的應用。總體來說，構建相應的數字集成系統主要是為了提升車間運營管理水平、降低浪費，同時落實有效的安全生產流程。具體來說，自動化數字集成系統的構建主要可以分為以下方面。

（1）數據的采集、匯聚與展示。自動化數字集成系統可以有效獲取虛擬環境下的設備運行狀態等相關信息，并可以通過多樣化的形式將其展現出來。

（2）在數據孿生的驅動下，自動化數字集成系統可以更好地實現對生產運行狀態的監控，并在實時監控的基礎上進一步實現過程優化與遠程控制。對于物料信息、設備狀態、操作情況、生產計劃等數據加以分析，并作出進一步指令。

（3）生產運行過程的優化，在信息化技術的支持下，可以結合系統模型構建各個生產指標之間的連接與相應機制，可在計劃調度、故障預警、管理決策方面顯示出十分突出的作用。

5 自動化產線實時監控系統的未來發展

隨著數字化發展理念的不斷深入，自動化產線監控系統也將會得到更加廣泛的研究與應用，結合其現在的發展情況來看，自動化產線實時監控系統的未來發展方向主要集中于以下方面。

（1）除了數控機床以及PLC相關設備以外，三坐標測量儀、RFID等設備的數據采集方案還有待進一步設計與研究。

（2）現階段，自動化產線實時監控系統在實際運行的過程中還存在監控信息有限、提取困難等問題，同時在設備運行狀態的分析與可視化方面也會面臨一定的困難。因此在未來發展的過程中，可以在現有基礎上進一步引入故障預測算法等技術方法，確保可以在第一時間對各類設備進行故障預警，并逐步降低故障發生的概率。

（3）可以推進三維可視化監控功能與MES系統的融合，一方面可以為監控功能提供更加穩定的平臺，另一方面還可以進一步豐富MES系統的表現形式。

（4）現階段三維監控的數據類型與可視化功能仍然較為單一，因此可以在后續發展過程中引入數據分析與采集等內容。

（5）可以推進三維監控系統向平臺監控軟件的轉化，促進其適用性的提升，同時加強對客戶端的代碼優化，確保其可以獲得更加良好的監控效果。

（6）將虛擬現實技術引入到監控系統當中，進一步為其拓展更加廣闊的應用平臺。

6 結束語

信息化與數字化技術的發展使得車間工業生產進入到全新的領域，為進一步提升整體流程運行水平，應在現有基礎上加強對各環節的監控與管理，進而自動化產線實時監控系統應運而生。作為信息化時代的產物，監控系統的應用有效推進了工業企業的數字化轉型升級，而在實際運行的過程中，相關人員應加強對其運行特點、功能設計以及框架體系的掌握，為工業自動化監控系統的優化奠定基礎。

參考文獻

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