小型制造單元遠程可視化系統設計

高世平，曹錦江，杜欣如，趙建峰，張建華

(南京工程學院自動化學院，江蘇南京 211112)

0 前言

工業4.0的提出極大推動了制造業信息化迅速發展，制造業自動化、信息化水平不斷提高，越來越多的制造企業采用自動化生產線的方式從事生產制造活動。車間自動化設備也更加多元化，如工業機器人、數控加工設備、AGV小車、嵌入式系統設備等。底層設備的多元化也給車間數據采集與傳輸帶來了難題[1]。現代工業控制系統呈現出設備越來越復雜、設備間多子系統的復雜控制過程的特點，不同子系統間數據格式不同、通信協議不同、處理過程不同阻礙了實時有效的數據交換。被動的集成不同廠商設備接口協議，增加了系統的開發難度及延長了開發周期，阻礙了制造企業信息化的建設。為了解決這一問題，設備制造商需要提供統一的設備協議，OPC(OLE for Process Control)規范由此誕生。OPC技術通常采用C/S模式，支持TCP/IP協議及遠程調用。利用面向對象的程序設計方法將不同廠家、不同規格型號的智能設備，通過工業控制軟件進行通信連接實現數據交換[2]。宋庭新和李軻[3]將OPC技術應用于工業機器人數據采集系統中，通過OPC技術與機器人ROS系統相結合，獲取機器人的狀態、異常情況、各關節電機的速度等數據，實現了車間工業機器人的在線監測方法。盧志遠等[4]將OPC技術應用于數控機床加工檢測中，利用數控加工中刀具磨損與切削力、震動、溫度等因素的相關性來間接測量刀具的磨損量，實現了加工過程中刀具磨損狀態在線監測方法。

為了簡化企業管理流程，提高生產效率，一個穩定、可靠、高效的監控系統是不可或缺的。大部分企業車間監測系統采用C/S(客戶端/服務器)架構模式，這些監測系統資源共享和各部門間協同性能差，不支持循環周期長的管理項目[5]。對于車間生產管理缺少可視化展示，主要通過圖紙以及各類監測數據來反映工程實際運行情況[6]。導致管理人員不能直觀看到車間設備運行狀態，不能及時了解生產情況，直接影響整個企業的工作效率。張本宏和王新[7]將B/S架構引入汽車遠程診斷，車載終端通過3G網絡向汽車遠程診斷服務器提起連接請求，服務器通過在線診斷并實時把診斷結果傳送給車載終端，車載人員通過相關故障碼就可以判斷車輛故障。帥義等人[8]將B/S架構引入石油管道檢測過程中，通過建立數據模型、創建數據庫等手段，實現了石油管道完整性管理系統，系統具備高后果區識別、完整性評價、風險評價等功能，可以多部門、多用戶同時訪問，響應速度快。

綜上所述，基于OPC技術及B/S架構技術的可視化系統已經取得了一定的研究成果。通過OPC技術做好自動化設備的數據采集、處理以及搭建合適的數據模型，是實現可視化的重點。將B/S架構應用到企業的遠程監控系統上，可以實現企業生產過程的動態顯示，在提高企業的管理效率和水平方面具有重要的意義[9]。本文作者根據制造單元的特點，開發出可視化監控系統，該系統通過圖表形式對設備的狀態檢測、訂單詳情、倉儲情況以及生產管理數據進行展示，能夠對企業制造車間的智能化管理提供幫助。

1 制造單元框架結構

1.1 制造單元系統結構

制造單元系統主要由6 個部分組成：加工區、分揀區、裝配區、倉儲區、中控區及云平臺。加工區主要由數控加工中心、數控車床以及上下料機器人組成。分揀區主要由并聯機器人和智能相機組成。分揀區的智能相機可以通過顏色、外形等方法來識別、篩選和檢驗零件。裝配區主要由 2 臺串聯機器人組成，通過機器人的插入旋轉等動作完成零件的協同裝配。倉儲區主要由1臺三軸直角機器人和立體倉庫等設備組成。各區之間通過傳送帶進行連接，通過變頻器滿足各部分速度控制需求。中控區主要由本地服務器、MES系統和可視化看板組成，MES 系統用于現場信息管理，本地服務器用于現場數據采集以及遠程服務器與云平臺連接，可視化看板可用于車間現場展示。云平臺包括云服務器及遠程可視化，云服務器負責接收本地服務器過程數據，并進行處理及保存，為遠程可視化提供數據支撐。遠程可視化可用于企業管理人員或與企業管理網站相結合[10]。制造單元系統結構組成如圖1所示。

1.2 系統的網絡通信技術框架

根據小型制造單元遠程可視化要求，設計了系統網絡通信技術框架[11]。網絡技術框架為4層結構，包括設備層、接口協議層、數據層及管理層，具體如圖2所示。

設備層是車間自動化生產線的資源層，包括加工設備、工業機器人、AGV小車、嵌入式設備和立體倉庫等。加工設備主要是根據工藝的設計要求完成零件的加工，工業機器人主要是完成裝夾、篩選、裝備等工作，AGV小車及立體倉庫可以配合完成物料的存取工作，嵌入式設備主要是完成整個自動化線及制造單元的控制工作。設備層是完成生產活動、實現生產數據采集的實體基礎。

接口協議層是根據設備的接口及協議情況，確定采集數據的方式。接口主要包括以太網、485接口、串口等。通信協議主要包括OPC協議、MODBUS協議、企業專用協議等。數據采集及可視化的前提是根據各設備的接口及協議獲取所需的過程數據。

數據層是把數據進行打包分類，分成設備、倉儲、零件的數量及質量等。從設備的運行情況、倉儲的出入庫記錄、零件的數量及質量來展示車間的生產過程。

管理層是整個框架的頂端，功能是對經過處理的制造過程數據進行組合、展示。用戶可以通過可視化看板實時了解車間的生產狀況。除了車間的可視化看板外，還可以通過網頁遠程瀏覽車間實際生產情況。

1.3 數據采集方案設計

制造單元是由控制PLC、傳感器、數控加工設備、機器人等設備構成，控制PLC負責協調控制制造單元運轉，其中可視化需要的數據大部分是由控制PLC產生，控制PLC使用羅克韋爾公司的L24、L36以及Micro850系列，PLC可以很方便地通過以太網接口以及OPC協議實現數據采集。數控加工設備在制造單元中起著重要的作用，數控加工設備使用的是FANUC0iF系列數控車床及加工中心，而FANUC數控裝置采用專用FOCAS協議實現數據采集。

控制PLC是制造單元的核心，其數據采集是可視化最重要的部分。OPC技術是基于客戶端服務器架構，選用第三方OPC服務器KEPServerEX實現PLC的數據采集。在OPC服務器中，分別選擇設備的品牌、設備名稱及通道進行基本配置，其中L24、L3系列PLC選用TCP/IP Ethernet通道，Micro850系列的PLC選擇Modbus TCP/IP Ethernet通道。對于TCP/IP Ethernet通道，服務器通過標簽與PLC數據進行對應；而對于Modbus TCP/IP Ethernet通道，服務器通過Modbus映射地址對應。對應OPC服務器配置畫面如圖3所示。

在項目中采集數據，需要編寫對應的客戶端程序。客戶端程序采用C#語言調用Interop.OPCAutomation.dll動態鏈接庫，依次讀取配置文件、創建服務器對象、與服務器進行連接，然后判斷連接是否成功；如果連接成功，向服務器添加數據節點，接著獲取節點數據、寫入節點數據。

服務器提供一套獲取數據的實時機制，即采用訂閱方式從服務器獲取數據。設備端數據狀態發生變化，服務器會自動通過DataChange函數傳回改變后的實時狀態數據。控制命令通過OPC的異步寫命令完成，當客戶端向服務器發送寫入數據請求后,不用等待消息的返回就可以進行其他事務的處理, 在這種方式下,數據訪問效率更高。客戶端程序設計流程如圖4所示。

數控機床是制造企業不可或缺的制造設備，其數據采集也是可視化很重要的組成部分。數控機床選用FANUC0iF系列數控車床及加工中心，FOCAS動態鏈接庫是FANUC公司提供給用戶針對數控系統數據實時采集的一組API函數，支持HSSB和Ethernet 2種連接方式，數據采集軟件流程如圖5所示。函數能采集數控系統的工作模式、主軸信息、伺服信息、CNC文件信息、程序信息、刀具參數、管理信息、歷史信息、PMC信息和報警等信息的數據，監控畫面如圖6所示。

2 可視化

數據可視化本質上是提取數據信息生成圖表，而將采集后的數據進行整理分析就變得十分重要。對生產數據進行整理分析、設計模型，結合遠程可視化監控系統的數據需求，在數據庫中建立對應的數據表，以便可視化系統能夠直觀地體現車間運行狀態。可視化系統網絡框架主要由C/S結構和B/S 結構。采用 C/S 結構的系統具有響應速度快、交互能力強的特點，但在安裝、維護與管理方面的難度大。B/S架構是對 C/S結構升級創新，具有維護簡單和共享性強的特性。文中采用基于B/S架構來開發遠程監控系統，用戶僅需要通過在瀏覽器輸入對應域名或IP地址，就可以訪問到服務器的數據，能夠及時掌握車間的生產狀態。

2.1 數據模型的建立

將車間生產活動抽象表示為車間資源數據模型，車間資源數據模型由多個對象數據模型組成，主要包括設備狀態數據表、加工狀態數據表、檢驗數據表等。根據車間資源數據模型，對生產過程中資源對象、生產數據、數據名稱及數據類型進行描述，如圖7所示。車間資源數據模型包含多個對象數據模型，每個對象數據模型都有對應的數據表，每張數據表可以包含若干個條目，條目包括數據的編號、名稱、類型、數值等。

2.2 可視化網絡框架

可視化網絡框架主要由本地服務器、本地可視化看板、云服務以及遠程可視化監控客戶端組成。本地服務器負責數據采集，系統的控制軟件采用C#語言，基于．NET Framework 平臺開發，直接使用C#模擬HTTP協議發送post或get請求，把采集到的數據發送到云服務器。云服務器的后臺程序解析數據包提取有效信息，再通過SQL技術保存到數據庫對應的數據表中。

遠程可視化監控客戶端是由瀏覽器構成，通過web服務器程序獲取數據庫中對應數據，實現生產數據圖表的顯示。云服務器可以租用阿里、騰訊以及華為的ECS云服務器，在服務器端安裝SQL數據庫，搭建服務器環境；也可以使用花生殼等裝置實現內網穿透，搭建自己的服務器。整個系統的網絡結構如圖8所示。

2.3 可視化技術

遠程可視化監控系統是基于B/S架構，依托網頁來實現可視化的展示。使用 HTML建立自己的web網站，網站運行在瀏覽器上并由瀏覽器來解析。HTML是web程序的前端，負責頁面內容的展示，一般處理程序是web程序的后臺，負責獲取數據庫的數據以及邏輯運算。前臺通過ajax技術異步獲取后臺數據，后臺通過Request來獲得前臺發過來的數據，根據前臺的請求內容，獲取數據庫對應表中內容，并轉換成JSON格式，再經過Response反饋到前臺。網頁的可視化可以通過柱狀圖、折線圖、餅圖等來展示，主要使用的是百度公司提供的ECHARTS控件，通過配置需要顯示的數據以及顯示格式，非常方便。

2.4 可視化展示

可視化主要解決了制造單元常規運行管理，包括了設備狀態的檢測、訂單情況、訂單百分比的顯示、毛坯及產品庫存情況以及制造單元生產管理數據。通過圖表、餅圖、柱狀圖、折線圖等多種方式，直觀地展示了制造單元的生產運行狀態。設備狀態檢測，通過紅黃綠指示燈，分別表示設備處于故障、待機維修、正常運行3種狀態。通過指示燈的顏色，再到左邊對應設備名稱查看對應關系，管理者就能很方便地查看設備狀態。通過表格及餅圖，管理者能夠通過可視化看板，看到下單時間、下單各產品件數以及各產品之間百分比。通過毛坯庫存、產品庫存，管理者就能了解到毛坯剩余情況、產品貨架剩余空間。生產數據只展示了企業一天生產目標曲線，用紅色來表示。綠色表示實際生產過程的曲線，管理者通過大屏能夠清晰地了解到企業實際的生產情況，不需要下車間看記錄，極大地方便了企業的管理，可視化看板如圖9所示。

3 結論

研究表明：將 OPC、SQL、B/S架構技術應用于遠程可視化監控系統是可行的，能夠直觀地顯示出制造單元中設備狀態、訂單詳情、倉儲情況以及實際生產管理數據。提出系統的總體技術框架，通過分析底層設備的接口以及各通信協議的特點，提出基于OPC技術的數據采集方案，并通過PLC、數控加工設備進行舉例分析，驗證技術框架的可行性。結合制造單元結構與檢測特點，通過數據處理得到可視化需要的數據模型，并基于SQL技術實現數據的存取，為遠程可視化提供數據支撐。通過網頁前后臺技術以及Echarts技術，把數據庫中數據圖形化展示到網頁上，讓管理者和操作者對生產過程一目了然，為企業制造車間管理提供了參考。