可配置生產車間監控系統的設計與研究*

楊悅欣 任工昌

(陜西科技大學，陜西 西安710021)

以往的生產車間監控系統都是定制開發的，根據企業生產車間設備的實際布局來開發的，一旦企業的生產流程或者是制造工藝發生變化，需要從上到下來對原有的系統進行改動，這必將耗費大量的財力、人力和物力，導致企業對于采用生產車間實時監控系統的積極性不高。因此開發一款可以根據制造業企業的生產流程或是制造工藝的變動而隨時變動的可配置的監控系統具有重要的意義。可配置的監控系統可以針對不同企業的生產實際來快速部署，降低企業的信息化成本，提高企業生產管理的信息化水平[1-5]。

根據企業的實際需求，生產車間監控系統可配置性主要體現在以下兩個方面：

(1)生產線模型的可配置性。根據企業的生產流程的變化可以動態地增加或者減少工位，生產線的模型在配置后可以根據配置后的情況展現到監控界面中。

(2)監控系統中所采集的數據的可配置性。生產線上所要采集的生產數據由于設備更換或者是應用需求增加會發生變動，可以在該系統中動態地編輯要采集的數據[6-8]。

1 生產車間情況概述

該企業的生產車間根據生產的工藝和流程劃分為5個生產島區：泵輪島區、渦輪島區、導輪島區、罩輪島區和總裝島區。每個島區包含若干個工位，工位之間有著先后順序，存在有一個工位有兩個前導工位的情況，所有工位中又分為自動、半自動和人工3種類型，自動工位不需要有人值守，設備自動運行；半自動工位有設備還需要有人值守；人工工位沒有設備，有人值守。同時還存在一個工位有多臺同類型設備的情況。

2 配置流程

根據可配置監控系統的可配置性的兩個方面的需求，該系統配置模塊的功能包括以下4個部分：

(1)島區及工位配置中主要實現按照生產線的實際布局來配置島區中的各個工位的順序，特別是要配置工位的前后邏輯關系，另外配置工位的基本信息比如工位號、工位名稱、工位類型(自動、半自動及人工)。

(2)設備配置中要將自動及半自動工位與該工位所使用的設備關聯。

(3)班組配置中要將半自動及人工工位與該工位所對應的班組關聯。

(4)工位與OPC Item關聯配置中要實現工位與對應的OPC Item項的關聯。

可配置監控系統的整體配置流程如圖1所示。

該系統的配置流程具體描述如下：

首先配置島區配置Excel文件。為了方便用戶配置各島區所含的工位及工位的先后位置關系，設計了島區配置模板文件，用戶可以根據生產車間中各島區的工位實際情況編輯配置Excel文件。

導入配置好的島區配置Excel文件。在導入完成后判斷配置信息是否正確，如果不正確重新編輯導區配置Excel文件，如果正確則進入生產線配置主界面，導入成功后生成各島區的配置XML文件。

在主窗口中選擇某個島區，進入該島區的配置窗口。島區配置窗口會根據該島區的配置XML文件動態生成該島區的配置界面(包含該島區中的所有工位以及工位之間的前后位置關系)。

配置該島區中的某個工位。根據工位的不同類型(自動、半自動、人工)來分別配置工位所關聯的設備以及數據采集點。

循環配置完所有島區下所有工位。

其中在配置島區的工位信息時，詳細的配置流程如圖2所示。

在進行某個工位的配置過程中，首先配置該工位關聯的所有數據采集點(一個數據采集點對應于一個OPC Item。比如某臺設備的當前狀態、當前電壓、當前電流等)；然后判斷該工位的類型，如果是自動工位則需要配置該工位所關聯的設備信息(有一個工位存在多臺設備的情況)，如果是人工工位則需要配置該工位所關聯的班組信息(與人員組織結構樹上的某個班組節點關聯)，如果是半自動工位則同時需要配置該工位所關聯的設備信息及班組信息，最后完成該工位的配置。

3 配置數據設計

3.1 島區配置模板文件

前面描述為了方便企業用戶根據生產流程和工藝來快速地配置生產車間的島區及所含工位情況，設計了島區配置信息模板。該模板是一個excel文件，企業用戶可以很方便地將工位的基本信息填寫到該文件中。該模板如圖3所示。

在該模板中需要分別把各個島區中所包含的所有工位的信息填入到模板的指定列中(包括工位的編號、前導工位編號、后續工位編號、工位名稱以及工位的類型)。編輯完后可以導入系統，生成各島區配置XML文件。

3.2 島區配置XML文件

根據該企業生產車間的實際為每個島區設計了配置文件(采用XML文件)。以圖4所示的泵輪島區配置文件為例。在泵輪島區配置文件中，1號工位為泵輪島區初始工位，所以該工位前導工位號為空；后續工位為2號工位；工位名稱為“外環沖窩”；工位類型為1，表示該工位為自動類型工位(半自動工位則工位類型值為2，人工工位則工位類型值為3)。

3.3 OPC Item項與工位關聯信息表

各個生產島區由若干個工位構成，每個工位下面又包含了若干的數據采集點。以半自動工位為例，該類型的工位包含以下的數據采集點：設備運行狀態、設備開關機狀態、設備溫度超限報警、設備壓力超限報警、設備故障報警、實際加工數量、人員編號等[9]。為了將數據采集點與對應的工位關聯起來，需要建立一個OPC Item與工位關聯信息表，該表結構如表1所示。

4 系統的詳細設計

4.1 系統的整體架構設計

系統的整體框架如圖5所示。生產車間設備上的傳感器的實時數據以及生產線上的物料、人員等信息通過PLC、DCS、HMI進行信息的匯總[8]。每個信息點最終被設定為一個OPC Item項，這些信息點的實時數據通過標準的OPC DA協議上傳到OPC Server中。OPC數據處理程序通過標準的OPC訪問協議將所有變化的OPC Item項的值更新到關系數據庫中的OPC Item與工位關聯信息表中。業務邏輯處理程序每隔一定的時間(10 s)讀取關系數據庫中OPC Item與工位關聯信息表中的數據，如果出現故障信息(設備溫度超限報警、設備壓力超限報警、設備故障報警燈)會實時的顯示到對應的工位中，同時用戶也可以實時的查看該工位所包含的所有的數據采集點最近一次的值。

表1 OPC Item與工位關聯信息表結構

序號屬性名數據類型長度描述1IDchar50主鍵2item＿namevarchar50OPCItem名稱3datatypevarchar20數據類型4descriptionvarchar1000OPCItem描述5station＿numint所屬工位號6current＿valuevarchar100當前值7history＿valuevarchar100歷史值8last＿update＿timedatetime最后一次更新時間9memovarchar1000備注

4.2 業務邏輯處理程序

業務邏輯處理程序的作用是讀取關系數據庫的OPC Item與工位關聯信息表中的OPC Item項(數據采集點)的當前值，向可配置生產車間實時監控系統的監控界面提供以下方法：

(1)根據島區名稱返回該島區狀態的方法。該方法遍歷屬于該島區的所有OPC Item，如果出現報警信息則返回邏輯假值。

(2)根據工位編號返回該工位狀態的方法。該方法遍歷屬于該工位的所有OPC Item,如果出現報警信息則返回邏輯假值。

(3)根據工位編號返回工位所包含的所有OPC Item的信息(名稱、描述、當前值等)。

4.3 OPC數據處理程序

OPC數據處理程序是介于關系數據庫和OPC服務器之間的一個橋梁，根據關系數據庫中的OPC Item與工位關聯信息表中所存儲的OPC Item項，通過標準的OPC訪問協議去訪問OPC服務器。當OPC Item與工位關聯信息表中的某個OPC Item項的值發生改變時，更新OPC Item與工位關聯信息表中對應OPC Item項的當前值、歷史值以及最近一次更新時間。

該處理程序將生產車間實時監控系統的監控界面與OPC服務器隔離開來，避免由于網絡的不通暢或者是OPC服務器的故障引起生產車間實時監控系統的監控界面的延遲響應問題[10-14]。

4.4 系統的運行實例

該生產車間實時監控系統的監控主界面如圖6所示。該界面顯示該車間所包含的5個生產導區，如果某個生產島區內出現了報警信息則該生產島區的對應按鈕顯示為紅色，正產情況下為綠色。點擊某個生產島區可進入該島區的監控界面。某個島區的監控界面會根據該島區的工位配置XML文件動態生成該島區的工位顯示窗口。

圖7為導輪生產島區的監控界面。該島區包含5個工位，在界面上會顯示該每個工位的實時狀況，當某個工位的圖標背景顯示為綠色時表示該工位的生產狀態正常，當某個工位出現報警信息(設備溫度超限報警、設備壓力超限報警或者是設備故障報警)時該工位對應的圖標背景變為紅色。

點擊某個工位的圖標彈出工位詳情顯示界面。該界面中會顯示該工位的編號、名稱、工位類型、所屬的生產島區名稱,同時會顯示該工位關聯的OPC Item項的信息表格和該工位關聯的設備信息表格。半自動類型工位詳情顯示界面中還會顯示關聯的人員組織結構信息，人工類型工位詳情顯示界面中也會顯示關聯的人員組織結構信息但沒有關聯的設備信息。

5 總結及展望

針對某液力變矩器企業生產車間所開發的可配置的生產車間實時監控系統解決了以往車間實時監控系統定制開發，適應性不強的問題。可以通過編輯生產島區配置文件并導入系統，來讓實時監控系統適應企業生產工藝流程或者是生產流程發生改變的實際情況，同時通過對于工位的詳細配置(包括工位所關聯的數據采集點以及工位所關聯的設備信息、人員組織結構信息)來適應生產車間工位所包含的數據采集點、設備或人員發生變化的情況。該系統具有較強的柔性及適應性，可以提高該企業生產監控的信息化水平，同時可以有效地降低企業生產監控信息化的成本。

目前的系統展示較為簡單，將來可以建立工位的生產動畫或者是通過實時現場視頻的連接來構建可視化動態信息處理模塊。同時考慮將生產調度、物料配送、質量控制、設備與工具等也采用可配置的方式來進行管理。采用相關算法對于系統的完備性的驗證也是本文的研究目標。

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