基于實時數據采集的可視化設備建模研究與設計

李 軍，里 鵬

LI Jun1，LI Peng2

（1. 紅塔遼寧煙草有限責任公司，沈陽 110001；2. 中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

0 引言

數字化設備模型是實現MES平臺建模的關鍵技術，該模型主要涵蓋物理設備的生產組織方式及設備物理布局等信息，例如部門的隸屬關系、設備的位置關系等信息；數字化設備模型是采用建模理論作為基本依據，以數字化的形式在計算機上全面映射生產制造過程，是制造系統實際生產在線監控和離線輔助決策的有效手段。

1 基于SP95標準的設備模型

1.1 設備布局形式分類

車間設備組織形式指按照一定的組織原則，將設備放置在車間中，使得車間各項指標達到最優。通常的車間組織形式分為以下三種[1,2]。

1）產品原則布局（Product Layout）：產品原則布置也稱為流水線布置或產品對象專業化原則布置。當產品品種很少而生產數量又很大時，按產品的加工工藝過程順序配置設備，形成流水線。典型的產品原則布置方式如圖1所示。

圖1 產品原則布置

2）工藝原則布局（Process Layout）：工藝原則布置也稱機群式布置。在這種布置形式中，同種類型的設備和人員被集中布置在一個地方完成某個加工工藝。典型的工藝原則布置方式如圖2所示。

圖2 工藝原則布局

3）成組原則布局（Group Layout）。成組原則布置又稱為混合原則布置。這種布置形式利用成組原理把使用頻率較高的機器群按工藝過程順序組合成成組制造單元，使整個生產系統由數個成組制造單元構成。典型的成組原則布置方式如圖3所示。

圖3 成組原則布局

1.2 SP95標準中設備模型的描述

SP95標準中，將設備模型描述為設備層次模型，設備層次模型與設備布局對應，每一個父級設備對象都包含零個或多個子級設備對象，該模型支持多加工點生產模式,例如一個“企業”可以包含零個或多個“工廠”[3,4]。

1.3 面向煙草行業SIA-MES平臺的體系框架

本文提出的數字化設備模型是面向煙草行業 MES（Shenyang Institute of Automation-Manufacturing Execution System）平臺中可視化建模的一個重要組成部分，它通過將生產過程數字化，呈現一個清晰詳盡的產品生產過程。SIAMES運行平臺的主要目標是通過卷煙產品家族的建立、生產線建模和線旁料架的描述等建立生產車間的數字化描述，輔以對生產事件、生產狀態的描述和控制實現生產活動的序列轉換，利用輔助的生產計劃仿真、配方管理、SPC分析、質量分析，在制品管理、設備運維管理等功能完成生產車間的數字化管理[5]。

2 數字化設備的基本數據模型

2.1 工廠模型

工廠模型主要涉及工廠的生產組織方式及設備物理布局等信息，業務流程處理模型用于描述生產單元中涉及的生產活動信息并以其他模型為基礎動態執行業務流程，該模型為MES系統的核心；基礎對象模型用于描述系統運行需要的基本配置信息；產品模型用于描述企業的產品組成及相關工藝標準。

該模型用于對企業生產部門之間的隸屬關系及生產部門內部的生產設備物理布局進行描述建模，通過該模型可使MES系統了解企業生產的組織方式。

2.2 生產線模型

生產線模型用于描述車間內生產線的組織情況，即說明生產線是由那些生產單元組成的，在此以煙廠制絲車間為例，生產線模型如圖4所示。

圖4 生產線模型

2.3 設備模型

在卷煙生產企業中，設備模型用于描述生產線中相應的設備，在此以3000Kg葉絲線中的滾筒式烘絲機為例進行建模，模型如圖5所示。

2.4 數據采集模型

圖5 設備模型

數據采集模型是設備模型的核心部分，將底層數據采集標簽抽象為變量語義元，主要為了獲得將現場實時數據，以供輔助決策和為上層高級應用提供數據支持。

它通過數據采集器將現場數據收集上來，以標簽的形式存放在實時歷史數據庫中，通過可視化配置工具將實時歷史中的標簽與設備模型中定義的變量綁定，通過數據同步可以在設備模型的客戶端展現底層現場數據的實時狀態。例如在設備模型中針對能動車間的蒸汽瞬時流量，定義一個“蒸汽瞬時流量”變量，通過配置工具將該變量與實時歷史數據庫中的標簽綁定，實時歷史數據庫通過數據采集器從底層設備中讀取實際溫度值，并以固定周期輪訓刷新該數據值，此時設備模型客戶端中展現的溫度值與底層數據實時溫度值保持一致，關系數據庫中只存放較少時間間隔的業務數據，歷史數據通過歸檔壓縮，以節約存儲空間。

3 系統實現與建模實例

3.1 系統實現

用戶接口層使用微軟WPF技術，通信層使用WCF數據傳輸技術，數據庫持久層選擇Oracle數據庫。數據庫服務器運行于AIX 6操作系統，WCF服務器通過IIS宿主于Windows Server 2003操作系統。硬件方面：應用服務器、報表服務器和數據庫服務器使用IBM X3650。

3.2 基于實時數據采集的設備模型建模實例

以該煙廠為例，如圖6所示，介紹建模的整體流程：

1）根據車間模型定義，建立車間模型，然后根據生產線模型定義，建立車間下一級別的生產線模型，根據物理設備的布局，建立生產線下一界別的設備模型。

2）定義設備模型下的數據采集模型，通過建模工具將數據采集層的標簽與設備模型中的變量綁定，建立關聯關系。

3）構建設備模型的界面，定義其屬性，并制定數據采集周期，最終展示可視化的設備模型。

4 結束語

可視化設備模型是MES軟件平臺的基礎模型，為上層的應用服務套件提供基礎數據和支持，是MES軟件平臺中關鍵環節。設備模型將現場的物理設備和生產過程數字化，實現企業生產可視化，為輔助決策起到了積極作用。本文使用SP95標準結合當前煙草企業的需求，建立了對應的設備模型，為數字化設備模型應用于生產過程在線監控和管理輔助決策起到了重要作用。采取基于SP95標準設計并開發設備建模平臺，降低系統間集成的開銷，為日后系統間集成打下良好基礎。

圖6 設備建模實例

[1]龔全勝. 基于遺傳算法的制造系統虛擬設備布局設計[D]. 武漢: 華中科技大學, 2004.

[3]The Instrumentation ,Systems,and Automation Society(ISA).ANSI/ISA-95.00.01-2000:enterprise-control system integration Part1: models and terminology[EB/OL].2007-03-15.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18, _Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950001.pdf

[4]The Instrumentation, Systems, and Automation Society(ISA). ANSI/ISA-95.00.02-2001: enterprisecontrol system integration Part 2: Data Structures and Attributes[EB/OL]. 2007-08-24.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18,_Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950002. pdf

[5]PAN Fucheng, PENG Hui, SHI Haibo.Event-Based Production Process Traceability Model [C], Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation,2006, 6: 1217-1232.