新能源電動汽車生產車間信息采集與監控的實現

殷 輝，張丁一，劉金鑫，鄧文博，王馳遠

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

傳統汽車工業車間大多數是人工或者半自動化的程度，相對于全自動還有一定的距離。隨著工業4.0和中國制造2025的提出，傳統的汽車行業面臨著嚴峻的挑戰，工業現代化、數字工廠的建造勢在必行，實現全自動化、方便對整個企業的監控、提高企業的生產效率都會帶來益處。

隨著科技的進步，社會的生產力大幅度提高，人們追求更加安全方便快捷的生產方式。在21世紀能源相對緊張的時代，新能源使用會減少環境資源的壓力，新能源電動汽車將會成為社會上主流，而傳統生產電動汽車的方式基本上是手動或者半自動的狀態，因此，傳統電動汽車的工廠的升級改造勢在必行。本文依據湖南中車時代電動汽車股份有限公司設備監控與輔助報工系統要求，以數字化車間為目標，面向智能制造數字化設備監控業務，并結合類似的數字化車間建設的實際應用和實施經驗，為實現智能化數字化車間提供全面解決方案。

設備智能監控與輔助報工系統通過車間數據采集網絡的搭建，基于現場設備支持的各種數據通訊接口，如工業以太網、串口等，采用Modbus、串口協議等標準通信協議或各種PLC專有通訊協議，實現與生產線現場不同型號的PLC設備互聯互通，數據采集。系統采用集中式采集的方式，采集設備的運行、停止、故障信息以及關鍵工藝參數數據，并將采集到的數據存儲在服務器中。系統依據采集回來的設備數據實現生產線設備實際加工運行狀態實時監控，根據采集得到的信息，統計各個設備的工作狀況。同時通過RFID射頻識別系統實時跟蹤工件流向，實現輔助報工。

1 系統架構

系統架構如圖1所示，其中L1層為底層設備，主要是車間的現場設備，也是主要的信息來源；L2層為設備智能監控與輔助報工系統，實現現場設備的數據采集、狀態監控、物料跟蹤、輔助報工等功能；L3層為MES系統，實現工藝流程管理、生產計劃、物流配送、車間過程管理、過程檢驗等功能的信息化系統；L4層為ERP系統，實現質量管理、業務流程管理、產品數據管理、人力資源管理和定期報告等。

圖1 系統架構

L1層也是設備聯網層，車間設備的互聯互通是實現數字化工廠建設的第一步也是一步最基本的一步，是整個數字化建設的基礎，聯網的設備包括焊裝車間設備、涂裝車間和總裝車間以及其他零散的設備。

L2層通過解析各類設備的通信協議，采集生產現場各類數據，并在相應的數據庫中進行存儲，以便生產過程的優化跟蹤和控制。

本文的操作的主要對象是L1、L2層，即設備的相互聯通以及設備智能監控與輔助報工系統，系統主要分為以下兩部分：

1）設備狀態監控平臺：通過設備PLC數采接口連接到現場設備，實現設備數據采集、設備狀態監控、基礎數據管理以及用戶管理等功能，并通過生產線狀態監控大屏幕實時顯示產線狀態；

2）物料跟蹤與輔助報工：通過RFID物料跟蹤系統實現物料跟蹤，通過與MES系統的接口，將采集到的現場數據上傳給MES系統，實現系統的輔助報工。

系統主要功能如圖2所示。

圖2 設備智能監控與輔助報工系統功能

2 車間設備數據采集網絡設計

隨著計算機技術的發展，SCADA自動化軟件系統也得到了發展，軟件的控制中心調度系統對各被控制點進行數據的實時采集，并且能夠通過顯示器等設備對各被控制點的運行狀態進行顯示。同時SCADA系統軟件具有數據處理與報表處理的功能，通過ODBC/JDBC標準，能夠將系統的應用數據、歷史數據和實時數據與報表系統連接，可形成圖文數據信息報表。

本項目通過以太網，將監控服務器、MES服務器與現場設備連接到同一網絡，并在監控服務器安裝組態軟件——組態王，與現場設備通訊，實現設備的數據采集與數據管理。

在傳統的工業中，現場設備種類繁多，并且設備的PLC型號、接口等不盡相同，這樣給信息采集帶來了很大的障礙，為了克服這些障礙能夠將所有設備接入網絡，需要對部分設備采用了增加網絡模塊的方式，根據PLC型號以及空余通訊口具體分為以下四類：

1）無需外加模塊：

這類設備都有空余的網口，可以直接通過交換機接入以太網；

2）增加串口服務器：

這類設備只有空余串口，因此需要增加串口服務器，將串口轉為網口接入以太網；

3）增加串口模塊及串口服務器：

這類設備只有串口且被占用，因此要同時增加串口模塊用來通訊、串口服務器將串口轉為網口，從而接入以太網；

4）增加以太網模塊：

整流電源，由于沒有空余的通訊口，因此需增加通訊模塊，這類設備像PLC型號為S7-200，就需要增加以太網模塊接入網絡。

根據各車間中的設備中的情況，選擇合適的擴展模式，將設備中的信息采集出來。

3 車間設備狀態監控系統設計

車間設備狀態監控系統包括設備狀態監控、工位狀態監控、物料跟蹤等方面，硬件系統采用服務器，軟件系統基于組態王監控軟件開發，后臺數據庫采用SQL Server 2008，用來存放采集的數據。

通過以太網采集設備狀態參數，對設備狀態數據進行分析、匯總、統計，通過大量的設備圖形化分析，實現對設備在生產全過程的狀態進行實時可視化監控。整個監控界面分為三級。

第一級為主界面，顯示廠區各個車間的分布情況，并可通過此界面進入二級界面，選擇界面上方的按鈕可查看所有設備的運行參數及報警信息，一級界面如圖3所示。

在一級界面中能夠總覽各個車間的分布情況，方便進行查閱各個車間。第二級為車間界面，圖4為總裝車間的界面，主要顯示車間內生產線、工位以及設備的分布情況，通過設備信號燈的顏色可以確定設備是否處于工作狀態或有報警，通過工位上是否有加工的部件可以確定當前工位狀態，另外在界面中點擊設備即可進入設備的詳細的狀態顯示。

圖3 監控總界面

圖4 總裝車間

第三級為設備界面，顯示設備的狀態、主要參數、趨勢曲線、報警信息等，圖5為設備界面。在設備界面中能夠看到相應設備的運行的狀態、報警信息等信息。

圖5 設備界面

圖5界面與設備參數除在監控服務器上顯示之外，還會通過組態王的外部發布功能在生產線狀態監控大屏幕顯示，為方便工作人員在辦公室內亦能查看設備相關信息，開發辦公室專用界面，并調用數據庫中存儲的數據，顯示設備運行狀態參數、運轉率、故障率等主要參數。

4 輔助報工系統設計

輔助報工系統是將設備加工信息、工位狀態信息等上傳給MES系統，令MES能夠更好地產出完工報告，本系統與MES系統通過數據庫來實現數據的交互功能，根據與MES系統的技術交流，按照如下方式設計了數據庫表單。

1）工位狀態表

工位狀態表用來顯示是否有工件在工位上，以及工件的車型等信息。

2）完工報告表

完工報告記錄了每臺設備的運行開始時間和結束時間，以便MES系統獲取設備工作情況，每臺設備對應一個完工報告，因此有多少臺設備就有多少個完工報告的表單。

3）完工索引表

由于完工報告表單眾多，MES系統直接查詢會降低效率，完工索引表是用來記錄完工報告中有更新的設備，MES系統通過完工索引表中的記錄便可直接查詢該設備對應的完工報告表，并且查詢后將該條記錄刪除，不影響后續查詢，從而提高查詢效率。

4）實時數據表

實時數據表用來記錄每臺設備的實時參數，以便MES系統查詢以及監控界面的顯示，每臺設備對應一個實時數據表。

5）報警信息表

實時數據表用來記錄每臺設備的報警信息，以便MES系統查詢以及監控界面的顯示，每臺設備對應一個報警信息表。

5 結論

傳統電動汽車車間向數字化工廠的轉變，必須經歷智能制造系統的升級，實現數字化管理的模式，實現無紙操作的目的，就需要各個車間設備的運行的狀態，需要監控各個設備的狀態，提高設備的運行效率，方便管理人員的查看與維護。本文提出的信息采集與監控系統，對傳統工業的升級與改造有著重大的意義，為實現數字化工廠的建設奠定堅實的基礎。