彭學軍，鮑軍云，李良飛，王高壘

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

數(shù)字化時代到來，互聯(lián)網(wǎng)+、5G場景等新興技術(shù)的應(yīng)用，給世界發(fā)展帶來革命性的變革[1]，特別是《中國制造2025》的提出，中國工業(yè)也以前所未有的速度加速前進，推動了大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)、數(shù)據(jù)云、人工智能等新興技術(shù)在各個行業(yè)中的深化應(yīng)用，助力了制造業(yè)發(fā)展[2]。面對第四次工業(yè)革命，制造業(yè)面臨巨大的挑戰(zhàn)，全新的基于互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)下的智能制造體系[3]，對廣大企業(yè)生產(chǎn)及管理提出了更高的要求，企業(yè)必須用互聯(lián)網(wǎng)思維看待世界發(fā)展的新局面，加快推進企業(yè)智能制造技術(shù)改造[4]，加快企業(yè)ITO的高度融合，以更快的速度向市場提供更具有成本效益的產(chǎn)品[5-6]。

1 電力行業(yè)制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)電力行業(yè)二次控制設(shè)備發(fā)展迅猛，逐漸替代了西門子、ABB等國外巨頭產(chǎn)品，實現(xiàn)了中國技術(shù)的突破，體現(xiàn)了國家核心制造業(yè)能力和水平[7]。電力控制設(shè)備制造業(yè)生產(chǎn)過程具有龐大的數(shù)據(jù)信息，包含元器件檢驗測試、PCB焊接、生產(chǎn)測試、系統(tǒng)調(diào)試、出廠檢驗等多道工序，而往往這些數(shù)據(jù)都散落在不同的設(shè)備或者是工序中間，形成了信息孤島[8]。這些孤島數(shù)據(jù)無法形成有效的數(shù)據(jù)關(guān)系，即使在生產(chǎn)過程出現(xiàn)前后關(guān)聯(lián)關(guān)系，由于信息孤島的存在也無法形成有效的閉環(huán)管理，當出現(xiàn)問題時只能通過單點的分析，對產(chǎn)品的質(zhì)量追溯很難形成有效的管理，這就給產(chǎn)品質(zhì)量的質(zhì)量管理和追溯提出了更高的挑戰(zhàn)[9]。

電力控制設(shè)備傳統(tǒng)的追溯管理通常采用打印條碼方式，將條碼粘貼在PCB上實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的追溯[10]。一方面這種方式需要人工進行粘貼，費時費力；另一方面，空間布局比較緊密，沒有足夠的粘貼空間給PCB進行追溯管理?，F(xiàn)實中在PCB板上直接標記字符、二維碼等信息替代紙質(zhì)條碼粘貼進行追溯，可實現(xiàn)自動化、智能化的管理要求，滿足精益生產(chǎn)、品質(zhì)管控、工藝提升的需求，已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢[11-12]。

2 電力行業(yè)智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

電力二次設(shè)備生產(chǎn)品種多、批量少，產(chǎn)品輪換切換周期快，生產(chǎn)過程中的物流、信息流復(fù)雜，因此對于制造業(yè)不僅僅是有MES、APS、PLM這些基礎(chǔ)系統(tǒng)[13]，重要的是通過建設(shè)智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)過程全生命周期[14]和全要素的質(zhì)量追溯體系[15]。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過OPC，ModBus等標準通信協(xié)議獲取生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，加以解析后傳給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[16-17]。通過基礎(chǔ)設(shè)備互聯(lián)互通，生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用[18-19]，消除信息流的斷層和孤島、消除實物流的等待，讓生產(chǎn)信息流與實物流高速運轉(zhuǎn)和融合，提高生產(chǎn)過程的柔性能力和追溯信息關(guān)系。如圖1所示。

圖1 智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

電力行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)分為5層，底層為設(shè)備層，包括各種加工設(shè)備(表貼機，波峰焊，機械手，檢驗AOI設(shè)備、高溫老化房、智能化裝配線等)、工裝輔料、生產(chǎn)工藝參數(shù)等。第2層為采集層，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)交互平臺與設(shè)備完成交互，通過傳感器采集、控制系統(tǒng)采集、PLC采集將設(shè)備運行狀態(tài)實時采集上來。第3層為數(shù)據(jù)處理層，在數(shù)據(jù)處理平臺上對采集上來的數(shù)據(jù)進行存儲，清理和數(shù)據(jù)優(yōu)化等工作，以提供給應(yīng)用層和展示層進行調(diào)用。應(yīng)用層和展示層主要是自動分析匯總生產(chǎn)進度、統(tǒng)計物料消耗情況，自動計算設(shè)備運行狀況以及生產(chǎn)相關(guān)追溯關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，并能夠以圖表、動態(tài)化圖示等方式進行展示，提供決策性支持的依據(jù)[20]。

網(wǎng)絡(luò)物理上采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使用屏蔽雙絞線實現(xiàn)物理連接，避免電磁干擾，數(shù)據(jù)交換采用萬兆骨干，百兆到終端的大兩層架構(gòu)快速收斂網(wǎng)絡(luò)；通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、PLC和OPC UA標準的運用，將生產(chǎn)線上的各種設(shè)備與MES、ERP、看板等信息系統(tǒng)有機結(jié)合在一起，使產(chǎn)線、車間乃至整個工廠如同一個整體般協(xié)調(diào)，以最理想的方式完成制造流程。

3 電力行業(yè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造追溯體系實施

智能制造過程追溯體系實施主要分為三步逐級推進。一是實現(xiàn)PCB刻碼的唯一身份認證，在生產(chǎn)開始初期就給予PCB一個唯一的準確的“身份證”，后續(xù)所有的生產(chǎn)過程信息都可以通過“身份證”獲得作業(yè)信息的關(guān)聯(lián)。通常情況下采取的是激光刻碼的方式，由于PCB本身空間的限制，對二維碼大小以及位置有著嚴格的要求，比如某公司生產(chǎn)廠家二維碼大小2.5 mm×4 mm的微小二維碼。二是通過在工序設(shè)備上設(shè)置讀碼器對PCB二維碼進行讀取，采用微小的二維碼對讀取也提出了挑戰(zhàn)，往往讀取誤碼率不高于0.3%，需在規(guī)定的讀取時間內(nèi)將二維碼本身含有的信息全部進行數(shù)據(jù)解析。三是將生產(chǎn)設(shè)備進行工業(yè)聯(lián)網(wǎng)，達到互聯(lián)互通，將所有設(shè)備進行有線網(wǎng)絡(luò)或是5G網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，實時讀取生產(chǎn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過條碼與設(shè)備數(shù)據(jù)進行綁定關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)唯一性追溯。圖2為某公司智能制造過程質(zhì)量追溯實現(xiàn)示意圖。

圖2 某公司智能制造過程質(zhì)量追溯實現(xiàn)

3.1 追溯信息采集

追溯體系信息構(gòu)成關(guān)鍵技術(shù)在于對單塊微小二維碼信息的有效讀取，讀碼器有運動掃碼和靜止掃碼2種模式。前者在二維碼在運動形式下實現(xiàn)，對二維碼運動速度、讀碼器解碼速度有一定要求，需要相互匹配；后者為靜態(tài)掃碼，二維碼在靜止狀態(tài)下進行掃碼。從掃碼范圍有普通和大視野之分。大視野讀碼器掃碼時需注意過濾PCBA板卡上相同類型二維碼。讀碼器關(guān)鍵參數(shù)分辨率(像素)影響讀碼可靠性，根據(jù)二維碼類型選擇合適分辨率的讀碼器，對應(yīng)微小二維碼，分辨率1280×960(130萬像素左右)左右方能滿足要求，正常情況下能夠達到99.8%的準確讀取。

讀碼器觸發(fā)有傳感器外部觸發(fā)以及自我觸發(fā)。一般通過傳感器外部觸發(fā)解碼可靠性更高；采用外部連續(xù)觸發(fā)模式，時間間隔需要大于解碼時間，在信號保持過程中，按照設(shè)定間隔時間內(nèi)進行拍照，直至解碼完成或信號結(jié)束。讀碼器設(shè)定的安裝高度、角度、曝光時間等對二維碼圖像有效識別至關(guān)重要，需要各種參數(shù)相互配合驗證。正常情況通過傳感器實時畫面進行調(diào)整，安裝高度、安裝角度參考PPM值，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將圖像調(diào)整最佳狀態(tài)，對比度、清晰度好(二維碼PPM值需要大于4)。在二維碼讀碼區(qū)域不得有陰影干擾，如PCBA二維碼區(qū)域絲印、高元器件產(chǎn)生的陰影影響讀碼通過率，在PCB設(shè)計階段就需要規(guī)范二維碼打碼位置。讀碼器參數(shù)設(shè)定完成后，通過支架固定牢靠，在設(shè)計讀碼器支架時，特別對于流水線，需要充分考慮振動等環(huán)境影響因素。

3.2 追溯體系構(gòu)成

生產(chǎn)追溯主要針對質(zhì)量管理中人、機、料、法、環(huán)等5個因素?；赑CBA二維碼“身份證”信息，從PCB上料開始，將輔料信息、元器件信息、設(shè)備信息、過程參數(shù)信息、人員信息、溫濕度環(huán)境信息等各類數(shù)據(jù)通過二維碼進行關(guān)聯(lián)，上傳到后臺服務(wù)器，按照數(shù)據(jù)架構(gòu)形成基礎(chǔ)信息(見圖3)。

圖3 智能制造過程質(zhì)量追溯系統(tǒng)構(gòu)成

4 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能制造質(zhì)量追溯系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 元器件廠家批次追溯

元器件來料通過庫房倉儲系統(tǒng)進行管控，最小包裝上具有元器件二維碼信息，包括型號、批次、供應(yīng)商等數(shù)據(jù)，二維碼格式、規(guī)格統(tǒng)一。元器件在上料時通過掃描二維碼將數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)中，從而與單板綁定，實現(xiàn)單板與元器件正反追溯。單板追溯分為正向追溯和反向追溯，正面追溯通過單板二維碼信息有效地追溯元器件批次、工藝參數(shù)、錫膏鋼網(wǎng)、工裝設(shè)備等生產(chǎn)過程要素要求，將生產(chǎn)過程管理質(zhì)量追溯精確到單個板卡。反向追溯通過元器件型號批次、錫膏批次、某時間設(shè)備等信息，逆向精確定位到單板信息。

4.2 生產(chǎn)過程要素追溯

在確保網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全的情況下，實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)互通[17]。根據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取方式采用相應(yīng)的采集適配器，通過OPC UA、OPC DA 等通信協(xié)議，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)同步至MES服務(wù)器，整合并結(jié)構(gòu)化后供各類信息化系統(tǒng)調(diào)用。

非標檢測設(shè)備中，針對測試設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，采用文件方式通過TCP/IP協(xié)議，將文件采集至服務(wù)器系統(tǒng)中，便于追溯系統(tǒng)查詢調(diào)用。

輔料工裝等具有唯一碼包含型號、名稱、批次等信息，通過系統(tǒng)統(tǒng)一管理，可在系統(tǒng)設(shè)定限定閾值，對錫膏使用壽命、鋼網(wǎng)次數(shù)、工裝有效性進行管理，生產(chǎn)過程通過掃描二維碼將輔料工裝等信息上傳系統(tǒng)，完善生產(chǎn)過程要素管理。

4.3 產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析

追溯系統(tǒng)在產(chǎn)品各生產(chǎn)工序采集過程相關(guān)信息數(shù)據(jù)(設(shè)備、元器件、輔料、工藝參數(shù)等)，對數(shù)據(jù)狀態(tài)分布進行分析，對比工藝參數(shù)、工時等數(shù)據(jù)波動性，精確定位問題性質(zhì)，找出產(chǎn)品異常原因。產(chǎn)品質(zhì)量異常一般通過元器件、設(shè)備情況等進行分析，充分追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)，降低質(zhì)量控制成本。

4.4 生產(chǎn)資源利用分析

根據(jù)設(shè)備運行情況、生產(chǎn)節(jié)拍等數(shù)據(jù)在追溯系統(tǒng)能夠有效查詢定位，通過系統(tǒng)分析計算，可對當日、當月等設(shè)備運行情況進行統(tǒng)計分析，通過設(shè)備稼動率、時間稼動率等指標評估生產(chǎn)資源利用情況。

5 智能制造過程質(zhì)量追溯技術(shù)難點分析

5.1 工業(yè)設(shè)備型號多且通信方式多

工業(yè)設(shè)備互聯(lián)遇到最大的問題是生產(chǎn)設(shè)備型號多，品牌多，各機器的服務(wù)時間不一樣。導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備各類主機通信方式、通信協(xié)議、文件類型等不同，需要配置不同的適配器匹配數(shù)據(jù)接口。另一方面部分設(shè)備主機年限較老，服務(wù)器版本低，頻繁訪問，容易導(dǎo)致藍屏現(xiàn)象，針對此情況，需要相應(yīng)地更換硬件設(shè)施或者是通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決。

5.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求高且網(wǎng)絡(luò)安全要求高

生產(chǎn)設(shè)備主機大多為獨立，不與外網(wǎng)直連，缺乏相應(yīng)地網(wǎng)絡(luò)安全防護機制，容易通過USB等而感染病毒，從而影響正常的生產(chǎn)業(yè)務(wù)。因此對生產(chǎn)過程設(shè)備、筆記本、PDA、臺式機、交換機、一體機等建立生產(chǎn)專用網(wǎng)絡(luò)，與ERP、MES等管理網(wǎng)以及辦公網(wǎng)絡(luò)通過防火墻進行隔離；建立上位機安全系統(tǒng)嚴格控制USB存儲設(shè)備使用，只允許授權(quán)設(shè)備接入數(shù)控管理主機，對于未授權(quán)或授權(quán)級別不夠的設(shè)備，不得與設(shè)備主機存在文件交互，防止病毒感染。

6 結(jié)語

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，加快促進制造轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)電力行業(yè)智能制造，打通生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)“孤島數(shù)據(jù)”，建立智能制造過程追溯體系，對生產(chǎn)過程各類要素(元器件、設(shè)備、工藝參數(shù)等)實現(xiàn)正、反向閉環(huán)追溯，對可能出現(xiàn)的質(zhì)量波動提前數(shù)據(jù)預(yù)警，消除潛藏的質(zhì)量隱患。智能制造過程追溯全面提高生產(chǎn)過程信息化、數(shù)據(jù)化、智能化，將各環(huán)節(jié)形成閉環(huán)管控。未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，要在生產(chǎn)過程的全過程數(shù)據(jù)采集和分析，通過模型算法計算數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)問題和隱患，優(yōu)化程序提高質(zhì)量。實現(xiàn)生產(chǎn)過程可視化監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)為智能化服務(wù)。結(jié)合計劃排產(chǎn)進一步改變產(chǎn)品BOM配置、生產(chǎn)計劃調(diào)整從而優(yōu)化生產(chǎn)能力，進一步解決生產(chǎn)車間和計劃之間實時數(shù)據(jù)斷層，提高車間生產(chǎn)過程透明度。