孫科星， 劉連喜， 崔 偉， 許云豐， 邱 楓

（1.中國兵器裝備集團 自動化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000； 2.北京星航機電裝備有限公司， 北京 100070）

0 引言

隨著世界工業(yè)改革浪潮的再一次推動下，“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”應勢而生，實現(xiàn)工業(yè)制造車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級成為了一種必然趨勢。 不論是“工業(yè)4.0”還是“中國制造2025”， 其核心都是集生產(chǎn)制造技術、 信息技術、物聯(lián)網(wǎng)技術于一體，以柔性服務為理念，來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化管理，達到對人、機、料進行合理高效管排的目的， 并最終實現(xiàn)車間數(shù)字化、 制造過程智能化，車間智慧化，促進企業(yè)與社會的可持續(xù)發(fā)展。 在車間實現(xiàn)數(shù)字化過程中，設備的車間級聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、以及自動化物流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)使用將是實現(xiàn)未來網(wǎng)絡化制造和模塊化制造的基礎， 是實現(xiàn)智能制造和車間智慧化的前提條件[1]。

本文針對某航天總裝車間生產(chǎn)制造過程中所使用的多種設備，基于物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化技術，結(jié)合車間人、機、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素的特點，對生產(chǎn)要素進行分類與數(shù)字化建模，設計并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了Socket、Modbus、S7 等設備類數(shù)據(jù)采集協(xié)議以及Access、SQL Server 等數(shù)據(jù)庫采集協(xié)議和FTP 等文件獲取與解析協(xié)議?；诙鄥f(xié)議采集平臺實現(xiàn)對車間設備、檢測儀器、工具、工裝、人員、環(huán)境等信息的實時采集與存儲，實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的實時感知與存儲， 為車間數(shù)字化與信息化建設打下基礎。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

某航天總裝車間存在人、機、料、環(huán)、測五大類生產(chǎn)要素，為了高效采集各生產(chǎn)要素中的關鍵數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)交互的實時性， 設計了數(shù)據(jù)采存總體架構(gòu)。 該架構(gòu)分為三層，基礎數(shù)據(jù)層主要功能為感知各生產(chǎn)要素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層是對來自底層的數(shù)據(jù)進行清洗、格式轉(zhuǎn)換、存庫；業(yè)務功能層包含總裝車間數(shù)據(jù)管理、報警監(jiān)測等信息化子系統(tǒng)， 其主要功能是為總裝車間生產(chǎn)態(tài)勢及狀態(tài)監(jiān)測和管理提供基礎數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與交互技術總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 人員類數(shù)據(jù)模型

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

某航天總裝車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與交互包含車間生產(chǎn)要素分類、生產(chǎn)要素數(shù)字化建模、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲4 個模塊，車間生產(chǎn)要素分類根據(jù)人、機、料、法、環(huán)、測進行分類，實現(xiàn)設備及采集協(xié)議的匯總；生產(chǎn)要素數(shù)字化建模是對車間人員、設備、物料3 大生產(chǎn)要素進行數(shù)字化建模，整理各要素特點與特性，理清各要素之間的邏輯關系； 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲部分主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動獲取與格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換及存儲和維護。

2.1 生產(chǎn)要素分類

總裝過程中，參與的生產(chǎn)要素種類及規(guī)格多樣，采用工藝定義與人工經(jīng)驗相結(jié)合的方法對總裝過程中涉及的人員、物料、設備、工具進行分類，將生產(chǎn)要素進行定義，以便于后續(xù)對生產(chǎn)要素定量描述。 由于生產(chǎn)要素分類部分要素主要以人為經(jīng)驗為主進行分類， 因此構(gòu)建評估體系和模糊處理對描述進行量化處理， 將生產(chǎn)要素參與工藝過程的次數(shù)以及關重程度進行分析， 以得出生產(chǎn)要素分類[2]。結(jié)合車間環(huán)境及各要素實際情況及其相關數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)項，分類結(jié)果如表1 所示。

表1 生產(chǎn)要素分類表

2.2 生產(chǎn)要素數(shù)字化建模

在數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)中， 車間制造過程中各數(shù)據(jù)作為統(tǒng)一的實體被用戶操作。 數(shù)據(jù)本身和數(shù)據(jù)之間的相互關系都是用戶操作的對象，在實際應用中，只有明確了每個數(shù)據(jù)的特點及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 才有可能對制造過程數(shù)據(jù)進行操作和管理。 在本文中，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ∣bject-Oriented Methodology，OOM） 來建立總裝車間制造過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一對象模型[3]。

2.2.1 人員類數(shù)據(jù)模型

人員是資源的一部分， 是總裝車間生產(chǎn)過程的重要參與者， 裝配及設備操作人員在車間作業(yè)過程中會產(chǎn)生制造相關的人員類數(shù)據(jù)， 以制造過程相關人員數(shù)據(jù)為研究對象，人員數(shù)據(jù)模型如下圖所示。模型中總裝車間作業(yè)人員定義組成車間人員類， 總裝車間人員類包含人員類操作和人員類屬性， 各類操作和屬性下有對應于各自己的操作方法和屬性值， 如個人操作有獲取相關裝配與物流調(diào)度任務、采集并上傳制造過程數(shù)據(jù)、檢測產(chǎn)品等，個人屬性有員工工號、工組信息等。同時個人還對應于車間制造過程生產(chǎn)任務，并關聯(lián)到任務下的生產(chǎn)任務信息。

2.2.2 設備類數(shù)據(jù)模型

設備數(shù)據(jù)模型是基于設備模型展開的， 在模型中定義了設備類、設備特性、設備維護、設備能力。 如圖3 所示，由設備類定義并組成設備信息，設備類包含有設備類基本屬性和設備類特性，并各自具有相應能力測試屬性。設備也同樣由設備屬性作和設備特性構(gòu)成， 設備維護和設備測試在具有各自屬性值的同時還必須映射到設備類操作和設備類屬性。 同時每臺制造設備還具有各自的加工任務和維護計劃， 通過設備可以關聯(lián)到加工任務信息和基于任務下的設備工作狀態(tài)信息， 以及維護計劃下的設備故障信息和維護日志信息。

圖3 設備類數(shù)據(jù)模型

2.2.3 物料類數(shù)據(jù)模型

物料類和物料類屬性構(gòu)成了物料類數(shù)據(jù)模型，在制造過程數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)中，物料包括生產(chǎn)用原材料、在制造品和裝配零件，通過物料定義，使其對應于物料類，其中物料質(zhì)量保證和物料質(zhì)量保證實驗結(jié)果也相應的映射到物料類和物料類屬性。在制造過程中，物料通常是以批次進行加工和調(diào)度轉(zhuǎn)運的，因此，物料批次數(shù)據(jù)也對應于物料定義下物料屬性數(shù)據(jù)。 隨著加工過程的進行，物料的相關屬性及特性會發(fā)生改變，這樣，物料屬性下的相關數(shù)據(jù)也相應的關聯(lián)到車間生產(chǎn)制造及質(zhì)量檢驗過程中，并根據(jù)質(zhì)檢要求和質(zhì)檢結(jié)果得到質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)。 如圖4 所示。

圖4 物料類數(shù)據(jù)模型

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 數(shù)據(jù)采集流程

由表1 可知， 總裝車間設備及傳感器的采集協(xié)議主要有：Socket、西門子S7、HTTP 等數(shù)據(jù)流型通信協(xié)議及Access、SqlServer 等數(shù)據(jù)庫型通信協(xié)議和文件類型的通信協(xié)議。

現(xiàn)階段， 結(jié)合總裝車間生產(chǎn)要素與采集對象的多協(xié)議的特性，設計了數(shù)據(jù)采集與存儲流程。

根據(jù)車間數(shù)據(jù)獲取地點所在具體位置和制定的采集方案，選擇具體使用的方法?，F(xiàn)場設備接收有關指令并進行數(shù)據(jù)獲取，同時將數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡實施傳輸。上位機端通過網(wǎng)絡向采集設備控制模塊發(fā)送指令， 進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，然后通過車間局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機實時接收車間各處采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)解析后，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗和算法處理，將滿足要求的數(shù)據(jù)進行入庫[4-5]。

總裝車間數(shù)據(jù)采集與存儲流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.2 RFID 數(shù)據(jù)采集模塊

車間工具工裝位置數(shù)據(jù)以及人員進出與位置數(shù)據(jù)均采用RFID 讀卡器與RFID 芯片結(jié)合的形式獲取相關數(shù)據(jù)。 為了識別工具工裝的位置信息， 在20 個裝配工位處分別安裝一個RFID 讀卡器， 裝配區(qū)域的工具與工裝上粘貼RFID 芯片，人員佩戴RFID 手環(huán)，這樣當粘有RFID 芯片的工具與工裝處于某個裝配工位時，RFID 讀卡器便能自動獲取芯片上的預留信息，從而簡介獲取該工具的位置、類別、名稱、編號等信息。

該類RFID 讀卡器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用Socket，模式為客戶端與服務器模式，讀卡器作為服務端，采集程序作為客戶端，程序啟動后，客戶端向服務端發(fā)送連接請求，連接成功后客戶端主動請求從而使服務端讀取范圍內(nèi)RFID 芯片數(shù)據(jù)，讀取后服務端以事件形式將獲取到的反饋給客戶端。具體流程如圖6所示。

圖6 RFID 數(shù)據(jù)獲取流程

2.3.3 環(huán)境監(jiān)測傳感模塊采集

環(huán)境監(jiān)測傳感器包含溫濕度傳感器、粉塵及有害氣體傳感器兩類，粉塵及害氣體傳感器主要部署在噴漆間等粉塵和二氧化硫、苯、一氧化碳濃度較高的房間，用于環(huán)境信息的實時監(jiān)測，普通作業(yè)車間只部署溫濕度傳感器。

溫濕度、 粉塵及有害氣體傳感器均為建大仁科網(wǎng)絡型傳感器， 采集協(xié)議均為Socket， 模式為客戶端服務器，與RFID 讀卡器所不同的是，該采集模塊中，傳感器為客戶端，采集程序為服務器，采集程序啟動時，初始化溫濕度傳感器數(shù)據(jù)獲取模塊服務，等待客戶端請求連接，連接成功后，客戶端主動上報數(shù)據(jù)，服務端以事件形式對數(shù)據(jù)進行接收與處理。

2.3.4 設備類數(shù)據(jù)采集模塊

車間內(nèi)氣密檢測臺、線纜測試儀、沖擊過載臺、雨淋系統(tǒng)等采集對象大部分都由總控系統(tǒng)或者PC 機進行數(shù)據(jù)管理或控制。 PLC 類控制器，數(shù)據(jù)采集一般通過Modbus、OPC DA/UA、Socket、S7 等形式直接訪問到控制系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，包括關注的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢測質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息，實現(xiàn)加工設備的數(shù)據(jù)自動采集。

對于數(shù)據(jù)存于PC 機的等設備，這類數(shù)據(jù)一般存在于文件、數(shù)據(jù)庫、第三方軟件中。對于數(shù)據(jù)庫，目前主流數(shù)據(jù)庫訪問接口技術有ODBC、JDBC、OLE DB 等； 對于文件，數(shù)據(jù)獲取一般借助于FTP 服務器、 遠程共享方式讀取文件等方式實現(xiàn)；對于第三方軟件，進行實時數(shù)據(jù)交互一般借助于Http、OPC、Socket 等。

2.4 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)均采用關系型數(shù)據(jù)庫Mysql8.0.16 對生產(chǎn)裝配過程采集的數(shù)據(jù)進行存儲管理， 有效的保證了數(shù)據(jù)的完整性，按數(shù)據(jù)類型對生產(chǎn)相關數(shù)據(jù)進行分類存儲，形成不同數(shù)據(jù)庫，如生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)庫、資源數(shù)據(jù)庫、質(zhì)量數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)車間運行數(shù)據(jù)庫等，支持3 年以上的存儲時間。

數(shù)據(jù)的類型包含質(zhì)量數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)通過接收生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包，進行解析、處理后，存儲到現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫中，這類現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過融合、抽取、處理、裝載等存入業(yè)務數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)根據(jù)需要從兩類數(shù)據(jù)中抽取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)查詢、對比分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、可視化顯示等公共操作。此外，系統(tǒng)還預留標準數(shù)據(jù)接口， 為上層軟件和其他信息化系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 RFID 數(shù)據(jù)分類存儲與管理

系統(tǒng)所需要采集的數(shù)據(jù)主要包括： 設備運行數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)裝配數(shù)據(jù)、工具工裝位置數(shù)據(jù)等。 其中設備運行數(shù)據(jù)、 工具工裝位置數(shù)據(jù)等實時性要求高、數(shù)據(jù)量大，需要建立實時數(shù)據(jù)表進行存放，而其他業(yè)務數(shù)據(jù)更強調(diào)完整性，存放到業(yè)務數(shù)據(jù)庫中。 構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫和業(yè)務數(shù)據(jù)庫兩級數(shù)據(jù)庫，并建立兩級數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)關系，通過對實時數(shù)據(jù)的融合、抽取、處理、裝載等操作，實現(xiàn)兩級數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、共享。

3 結(jié)束語

本文從解決某航天總裝車間設備、工具工裝、環(huán)境等生產(chǎn)要素數(shù)據(jù)采集與存儲的需求出發(fā)， 針對車間數(shù)據(jù)感知能力弱、數(shù)據(jù)管理混亂的現(xiàn)狀，開展數(shù)據(jù)采集與存儲技術研究，圍繞車間物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境搭建與設備數(shù)據(jù)管理建設，提升車間數(shù)據(jù)感知能力與效率。 通過數(shù)據(jù)采集與交互軟件、車間態(tài)勢監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)管理軟件，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)裝配過程關鍵質(zhì)量參數(shù)與運行參數(shù)的收集、存儲、查詢、發(fā)布；完成了對工裝、人員、設備狀態(tài)信息的獲取與保存。從而有效地解決了產(chǎn)品在總裝過程中存在的一系列信息丟失、數(shù)據(jù)難以保存等問題，進一步提高了總裝過程的生產(chǎn)效率、促進了生產(chǎn)質(zhì)量的提升，推動了企業(yè)數(shù)字化與信息化能力建設。