陳軒，孔建壽，彭憶炎

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

長期以來我國制造業(yè)的車間信息化建設(shè)秉持著以信息化手段輔助生產(chǎn)的方式進(jìn)行，企業(yè)車間內(nèi)部呈現(xiàn)出工業(yè)化技術(shù)和信息化技術(shù)獨(dú)立發(fā)展的兩條路線。伴隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，逐漸暴露出這兩條技術(shù)路線發(fā)展脫節(jié)的現(xiàn)象，即現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)與實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場控制難以結(jié)合和統(tǒng)一。隨著德國“工業(yè)4.0”[1]概念的提出，智能制造成為全球制造業(yè)的研究熱點(diǎn)，柔性制造、敏捷制造[2-3]、數(shù)字化車間[4]等先進(jìn)制造理念層出不窮。為此我國制定了以兩化融合為主線的“中國制造2025”計(jì)劃[5]，旨在完成制造業(yè)向智能化的順利轉(zhuǎn)型。

數(shù)字化車間建設(shè)是踐行兩化融合的重要技術(shù)手段[6]，發(fā)展MES技術(shù)是提升車間數(shù)字化水平的有效途徑[7]。自20世紀(jì)80年代我國寶鋼集團(tuán)首次從西門子引入MES系統(tǒng)[8]以來，MES系統(tǒng)在我國流程型制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用并已趨于成熟，它為用戶營造了一個(gè)可視、實(shí)時(shí)、精細(xì)、可追溯的制造環(huán)境[9]，在企業(yè)的數(shù)字化車間建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。但是由于離散制造業(yè)工藝復(fù)雜多變、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)龐雜、底層自動(dòng)化水平差別大[10]等特點(diǎn)，導(dǎo)致MES系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中依然面臨著制造過程可視化、實(shí)時(shí)化、精細(xì)化管理等諸多難題[11]。這必將阻礙我國制造業(yè)數(shù)字化車間的整體建設(shè)進(jìn)程。

為此本文提出了基于MES技術(shù)的數(shù)字化車間建設(shè)框架，并設(shè)計(jì)開發(fā)了車間SCADA系統(tǒng)，以解決離散制造企業(yè)車間生產(chǎn)過程監(jiān)控問題，推動(dòng)數(shù)字化車間建設(shè)的全面落實(shí)。

1 離散制造車間中存在的問題

調(diào)研發(fā)現(xiàn)離散制造企業(yè)加工車間存在的問題如下：

1) 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)沒有全面實(shí)施，不能監(jiān)控車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，難以提高設(shè)備利用率以及優(yōu)化車間整體生產(chǎn)性能。

2) 部分產(chǎn)品的工藝要求較高，其質(zhì)量容易受加工環(huán)境影響，環(huán)境條件不達(dá)標(biāo)往往造成產(chǎn)品合格率低、廢品率高或返修情況嚴(yán)重等現(xiàn)象。

3) 計(jì)劃執(zhí)行情況主要通過紙質(zhì)文檔作為載體，依賴人工收集，效率低下。

4) 產(chǎn)品質(zhì)量管理大多采取事后檢驗(yàn)的方式，缺乏產(chǎn)品加工過程中各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)質(zhì)量信息，不能及時(shí)避免出現(xiàn)異常的加工環(huán)節(jié)對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

根據(jù)以上幾點(diǎn)可以將離散制造企業(yè)車間中存在的問題歸納為：現(xiàn)有的信息管理系統(tǒng)缺乏對(duì)車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、加工環(huán)境、生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量方面的數(shù)字化監(jiān)控。

2 數(shù)字化車間構(gòu)建框架

本文針對(duì)上述問題提出以MES系統(tǒng)為核心的數(shù)字化車間構(gòu)建框架，分為車間SCADA層、MES核心功能層、系統(tǒng)外部集成框架和接口層以及企業(yè)其他信息層等，如圖1所示。

圖1 數(shù)字化車間建設(shè)框架

車間SCADA層憑借傳感器、智能儀表、數(shù)控機(jī)床、條碼/RFID自動(dòng)識(shí)別、工業(yè)以太網(wǎng)、智能控制網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控以及制造資源的互聯(lián)互通，并為MES系統(tǒng)設(shè)備管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理等功能模塊提供數(shù)據(jù)支撐。MES核心功能層通過系統(tǒng)外部集成框架和接口與ERP、PDM、CAPP等信息系統(tǒng)進(jìn)行交互，統(tǒng)籌整個(gè)車間的生產(chǎn)執(zhí)行過程。

3 車間SCADA系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

依托數(shù)字化車間框架所設(shè)計(jì)的SCADA系統(tǒng)位于數(shù)字化車間框架的車間SCADA層，它是一個(gè)針對(duì)產(chǎn)品生命周期進(jìn)行多方位監(jiān)控的系統(tǒng)，涵蓋生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、加工環(huán)境、產(chǎn)品質(zhì)量等多項(xiàng)生產(chǎn)過程信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能夠?qū)崿F(xiàn)車間設(shè)備控制、環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)、質(zhì)量控制等功能，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于車間內(nèi)數(shù)控機(jī)床、智能儀表種類繁多，為了實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備的信息集成以及控制指令的下達(dá)，設(shè)計(jì)在每個(gè)工位安裝一臺(tái)工位機(jī)，由工位機(jī)對(duì)一個(gè)工位的加工單元進(jìn)行綜合控制。

圖2 車間SCADA系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

設(shè)備層中需要采集的信息包括機(jī)床生產(chǎn)任務(wù)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)警信息、環(huán)境參數(shù)信息、質(zhì)量信息、物料狀態(tài)信息等。其中物料狀態(tài)信息由射頻識(shí)別器或條碼識(shí)別器進(jìn)行采集并直接上傳給服務(wù)器，其他信息由安裝在各個(gè)工位的工位機(jī)進(jìn)行采集。工位機(jī)一方面進(jìn)行機(jī)床生產(chǎn)任務(wù)信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、報(bào)警信息、環(huán)境參數(shù)信息、質(zhì)量信息的采集上傳，另一方面將SCADA系統(tǒng)的控制指令下達(dá)給相應(yīng)設(shè)備。在車間的監(jiān)控中心安裝車間SCADA系統(tǒng)客戶端，車間管理人員可以通過客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)活動(dòng)的監(jiān)視，并根據(jù)需求對(duì)車間生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

4 車間SCADA系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

為了滿足離散制造車間生產(chǎn)過程監(jiān)控需求，將車間SCADA系統(tǒng)的功能模塊劃分為實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 車間SCADA系統(tǒng)功能模塊

1) 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊。設(shè)備監(jiān)控模塊可以對(duì)車間數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，還可以對(duì)機(jī)床進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。環(huán)境監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)顯示車間當(dāng)前加工環(huán)境參數(shù)信息以及一段時(shí)間內(nèi)車間環(huán)境參數(shù)的變化情況，并能夠依據(jù)制造工藝需求對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控模塊能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控主計(jì)劃進(jìn)度、作業(yè)計(jì)劃進(jìn)度、工序進(jìn)度。質(zhì)量監(jiān)控模塊能夠依據(jù)樣本的質(zhì)量信息判斷當(dāng)前工序的產(chǎn)品質(zhì)量是否處于受控狀態(tài)，如果產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)入非受控狀態(tài)則進(jìn)行預(yù)警。

2) 數(shù)據(jù)查詢模塊。提供產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)查詢、能耗信息查詢、告警信息查詢功能。

3) 統(tǒng)計(jì)分析模塊。主要是對(duì)車間生產(chǎn)過程信息進(jìn)行綜合處理，包括對(duì)車間設(shè)備利用率分析、計(jì)劃完成率統(tǒng)計(jì)、產(chǎn)品合格率統(tǒng)計(jì)等方面。

5 系統(tǒng)開發(fā)

5.1 應(yīng)用層通信協(xié)議

車間SCADA系統(tǒng)需要傳輸大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和控制指令，卻缺乏一套標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約。為此本文結(jié)合SCADA系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)OSI參考模型進(jìn)行簡化重組，將原有的7層模型精簡為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層，并利用winsock[12]實(shí)現(xiàn)基于TCP的客戶端服務(wù)器通信。系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議中的電文可以分為3類，分別是應(yīng)用電文、自動(dòng)應(yīng)答電文和心跳電文3種電文，其中應(yīng)用電文細(xì)分為數(shù)據(jù)電文和控制電文2種。數(shù)據(jù)電文用于傳遞數(shù)據(jù)信息，分為環(huán)境數(shù)據(jù)電文、機(jī)床狀態(tài)數(shù)據(jù)電文、物料狀態(tài)數(shù)據(jù)電文、質(zhì)量數(shù)據(jù)電文、NC程序數(shù)據(jù)電文等?？刂齐娢挠糜诳刂浦噶畹南逻_(dá)，分為環(huán)境控制電文和機(jī)床狀態(tài)控制電文。

以應(yīng)用電文為例進(jìn)行電文格式說明，控制電文具體格式如表1所示?？刂齐娢闹幸园l(fā)送主機(jī)代碼、接收主機(jī)代碼和功能碼共同決定電文用途，主機(jī)代碼可以自定義，例如以“JC”代表機(jī)床、“HJ”代表環(huán)境、“WL”代表物料、“FW”代表服務(wù)器等。功能碼用來區(qū)分電文功能，例如“01”表示機(jī)床控制電文，“02”表示環(huán)境控制電文。設(shè)備ID為用戶分配的設(shè)備編號(hào)，控制規(guī)則由具體設(shè)備類型而定，例如對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制指令有啟動(dòng)“01”，停止“10”等。每條電文以“0x0a”作為結(jié)束符。

表1 控制電文具體格式說明

數(shù)據(jù)電文具體格式如表2所示。數(shù)據(jù)電文與控制電文格式略有不同，由于數(shù)據(jù)電文中包含多種類型的數(shù)據(jù)，因此增加“數(shù)據(jù)類型”字段用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)電文具體類型，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同“數(shù)據(jù)內(nèi)容”部分也有所區(qū)別。例如數(shù)據(jù)類型為環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)內(nèi)容中包含參數(shù)類別、參數(shù)值信息，數(shù)據(jù)類型為機(jī)床狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)內(nèi)容部分為設(shè)備ID、機(jī)床名稱、狀態(tài)類型、時(shí)間等。

表2 數(shù)據(jù)電文具體格式說明

5.2 基于SPC的質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)控

傳統(tǒng)的離散制造車間自動(dòng)化水平較低，致使失效模式影響分析(FMEA)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)、統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)等一些先進(jìn)的質(zhì)量控制工具和方法難以得到推廣和使用[13]。經(jīng)過數(shù)字化改造的離散制造車間能夠借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段，將先進(jìn)的質(zhì)量管控技術(shù)整合到產(chǎn)品動(dòng)態(tài)制造過程當(dāng)中，以“事前預(yù)防”和“事中控制”的方式取代傳統(tǒng)的“事后檢驗(yàn)”方式，及時(shí)消除質(zhì)量異常，減少廢品和返修品的產(chǎn)生。本文利用SPC中的均值-極差控制圖[14]對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵工序的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，質(zhì)量控制流程分為準(zhǔn)備、分析、監(jiān)控3個(gè)階段，如圖4所示。

圖4 質(zhì)量控制流程圖

由于離散制造企業(yè)具有多品種、小批量的生產(chǎn)特點(diǎn)，在使用常規(guī)SPC控制圖對(duì)工序質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，往往因?yàn)闃颖緮?shù)據(jù)量小而造成控制圖對(duì)異常小波動(dòng)不敏感。為此本文提出以局部加權(quán)的SPC控制圖優(yōu)化算法提升系統(tǒng)對(duì)工序質(zhì)量異常小波動(dòng)的敏感性。其基本思想為：當(dāng)某時(shí)刻t的樣本值出現(xiàn)異常時(shí)，離t時(shí)刻越近的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的趨勢也就越明顯。為了在樣本量較小的情況放大這種趨勢，以距t時(shí)刻由近及遠(yuǎn)的順序?yàn)榫植糠秶鷥?nèi)樣本值分配從高到低的權(quán)值，再以重新計(jì)算過的加權(quán)樣本值繪制控制圖，從而使樣本值之間相互關(guān)聯(lián)起來，更好地呈現(xiàn)工序質(zhì)量的變化趨勢。

5.3 車間3D可視化監(jiān)控

本文SCADA系統(tǒng)監(jiān)控軟件利用.NET winform進(jìn)行開發(fā)，為此探索了winform中3D場景的加載方法，最終采用將Unity場景嵌入winform的方式實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)車間布局情況，利用3Dmax建立與實(shí)際加工車間一致的3D模型。然后將3D模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity中，在場景中添加攝像機(jī)、腳本、碰撞器等組件，完成場景開發(fā)，再將文件輸出成Web模式，即workshop.unity3d文件。最后在VS里向Winform中添加“UnityWebPlayer”控件，更改該控件的src屬性，將文件地址選為之前生成的workshop.untiy3d文件路徑，即可完成在winform中加載Unity場景。

車間3D可視化監(jiān)控的兩個(gè)重要功能分別是設(shè)備可視化操作和車間信息顯示。為了實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)加工設(shè)備的可視化操作，首先需要在可操作的設(shè)備模型上添加碰撞器和腳本。在Unity中從用戶點(diǎn)擊位置的攝像機(jī)發(fā)出一條射線，當(dāng)射線擊中模型對(duì)象的碰撞器后，Unity以ExternalCall方式向winform返回消息，調(diào)用winform中的設(shè)備控制函數(shù)并彈出設(shè)備控制對(duì)話框，再由用戶選擇對(duì)設(shè)備執(zhí)行的具體操作。車間信息展示的功能主要是向用戶展示車間設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)和任務(wù)執(zhí)行情況，需要用到UnityWebPlayerClass類中的SendMessage方法，這個(gè)方法與Unity3D自身腳本中的SendMessage方法定義相同，可以方便地將SCADA系統(tǒng)采集到的信息傳遞給Unity場景。

6 應(yīng)用案例

利用.NET平臺(tái)提供的工具和服務(wù)對(duì)某離散制造企業(yè)的齒輪加工車間的SCADA系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。下面對(duì)系統(tǒng)部分功能界面進(jìn)行介紹。用戶登錄MES系統(tǒng)后點(diǎn)擊“車間SCADA”選項(xiàng)進(jìn)入車間SCADA監(jiān)控首頁，如圖5所示。界面中的3D模型與真實(shí)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)同步，用戶可以查看設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作。

圖5 車間SCADA監(jiān)控首頁

選擇“實(shí)時(shí)監(jiān)控”中的“生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控”可以查看到當(dāng)前車間生產(chǎn)進(jìn)度執(zhí)行情況，如圖6所示。生產(chǎn)進(jìn)度的執(zhí)行情況以甘特圖和數(shù)據(jù)表的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。

圖6 車間生產(chǎn)進(jìn)度監(jiān)控界面

工序質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖7所示。當(dāng)某工序出現(xiàn)質(zhì)量異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)相應(yīng)工序發(fā)出報(bào)警。用戶可以在質(zhì)量監(jiān)控界面中勾選對(duì)應(yīng)工序并查看當(dāng)前工序的控制圖狀態(tài)。

圖7 質(zhì)量監(jiān)控界面

7 結(jié)語

文中分析了離散制造車間生產(chǎn)過程中存在的問題，提出基于MES技術(shù)的數(shù)字化車間構(gòu)建框架，對(duì)其車間SCADA的體系結(jié)構(gòu)和功能模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，重點(diǎn)論述了系統(tǒng)應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)、基于SPC質(zhì)量監(jiān)控方法的改進(jìn)以及車間3D可視化監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)。以某離散制造企業(yè)齒輪加工車間為例對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。該系統(tǒng)提升了離散制造車間生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度和監(jiān)控管理水平，為傳統(tǒng)離散制造車間向數(shù)字化車間轉(zhuǎn)型提供了思路。