汽車零部件企業(yè)數(shù)字化工廠設(shè)備集成解決方案研究

摘 要：針對數(shù)字化工廠建設(shè)過程中設(shè)備數(shù)據(jù)自動采集這一痛點(diǎn)問題，結(jié)合工業(yè)理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納形成汽車零部件企業(yè)數(shù)字化工廠建設(shè)各種設(shè)備集成所需的一套完整的解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化工廠;設(shè)備集成;解決方案

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程，汽車零部件企業(yè)建設(shè)數(shù)字化工廠的重要條件是對各種設(shè)備數(shù)據(jù)的自動化采集，而因設(shè)備品類繁多，設(shè)備采購時(shí)間、品牌廠家、接口協(xié)議等各不相同，設(shè)備數(shù)據(jù)采集的完整性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性大打折扣，工業(yè)設(shè)備自動化數(shù)據(jù)采集成為了困擾數(shù)字化工廠建設(shè)的痛點(diǎn)問題，也對數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，提升企業(yè)管理效能形成了制約。

本文通過研究與工業(yè)自動化系統(tǒng)、PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)設(shè)備的集成解決方案，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備數(shù)據(jù)的自動化采集，極大減少人工操作，達(dá)到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、快速的自動采集工廠設(shè)備狀況及數(shù)據(jù)的目的。

1 工廠設(shè)備底層集成邏輯

工廠的設(shè)備類型一般為工業(yè)機(jī)器人和PLC控制系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)備單獨(dú)分散沒有聯(lián)網(wǎng)，設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法集中監(jiān)控，管理人員不能實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不能實(shí)時(shí)掌握真實(shí)準(zhǔn)確的生產(chǎn)及設(shè)備數(shù)據(jù)，因此需要對各種設(shè)備從底層開始集成。

通過掌握車間所有設(shè)備的相關(guān)信息，包含設(shè)備編號、設(shè)備名稱、數(shù)量、控制系統(tǒng)類型和設(shè)備是否可以不增加硬件或通訊模塊即支持集成等信息，按照設(shè)備集成到系統(tǒng)中的硬件配置和通訊協(xié)議，歸納出設(shè)備底層集成方式主要有以下四種：

1.1不需要增加硬件，采用設(shè)備數(shù)據(jù)采集軟件，通過TCP/IP協(xié)議（在多個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)膫鬏斂刂茀f(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）直接與設(shè)備相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;

1.2設(shè)備供應(yīng)商提供數(shù)據(jù)地址表和修改PLC通訊接口程序，直接從設(shè)備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;

1.3需要增加硬件：（1）新增CP243-1（西門子PLC中擴(kuò)展以太網(wǎng)接口通訊模塊，增加此通訊模塊支持設(shè)備通過以太網(wǎng)集成），以太網(wǎng)模塊支持Profinet協(xié)議，系統(tǒng)通過Profinet協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;（2）新增FX38U-485AD-MB（三菱PLC中擴(kuò)展485接口通訊模塊，添加此通訊模塊支持設(shè)備集成），模塊支持MODBUS RTU協(xié)議，系統(tǒng)通過MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;（3）新增ES-301A/B（支持485接口轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)接口的通訊模塊，添加此通訊模塊支持設(shè)備通過485接口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)集成）網(wǎng)關(guān)把PLC控制系統(tǒng)自帶的MODBUS RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)口的MODBUS TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.4設(shè)備自帶網(wǎng)口支持OPC UA協(xié)議（Unified Architecture，統(tǒng)一架構(gòu)，通過提供一個(gè)完整的、安全和可靠的跨平臺的架構(gòu)，以獲取實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)及時(shí)間）直接從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。最近幾年購置的設(shè)備多數(shù)支持此種方式。

2 設(shè)備集成步驟及原則

設(shè)備集成的主要目的是為系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定的、可靠的、完整的數(shù)據(jù)，具體實(shí)施的時(shí)候需要根據(jù)實(shí)際需求，集成有用的信息進(jìn)入系統(tǒng)，滿足企業(yè)管理的需要。因此，設(shè)備集成的步驟及原則可從以下四個(gè)方面著手。

2.1搭建數(shù)字化工廠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)建系統(tǒng)平臺，工業(yè)機(jī)器人、PLC非標(biāo)設(shè)備、數(shù)據(jù)工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器等均通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接，交換機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)備、控制器、通訊模塊、服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)查詢和分析功能。

2.2選擇合適的硬件配置

硬件配置支持設(shè)備集成到數(shù)據(jù)展示的中間過程，包括數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器（主要配置合適的CPU、內(nèi)存、硬盤、電源等），車間級、企業(yè)級交換機(jī)（主要配置合適的以太網(wǎng)電接口、以太網(wǎng)光接口），PLC以太網(wǎng)通訊模塊。

2.3選擇合適的網(wǎng)絡(luò)布線方式

（1）一般選擇24口工業(yè)接入交換機(jī)，根據(jù)車間設(shè)備布局情況，設(shè)備分開連接到各個(gè)工業(yè)交換機(jī)。

（2）為確保數(shù)據(jù)信號有效傳輸，雙絞線最長不應(yīng)超過95米，建議用超五類或更高規(guī)格的工業(yè)級網(wǎng)線。

（3）網(wǎng)絡(luò)布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)的3層結(jié)構(gòu)，即“核心層——匯聚層——接入層”結(jié)構(gòu)體系，布線需做好防護(hù)，避免干擾。

（4）企業(yè)級交換機(jī)用于數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器連接，企業(yè)級交換機(jī)到車間級交換機(jī)之間最好采用光纖連接。

2.4設(shè)備集成實(shí)施原則

設(shè)備集成是數(shù)字化工廠建設(shè)最復(fù)雜的系統(tǒng)建設(shè)工程，基礎(chǔ)平臺需要在系統(tǒng)建設(shè)初期就考慮到具有靈活的平臺化集成化架構(gòu)，可跨平臺靈活配置業(yè)務(wù)，基于Restful架構(gòu)模塊化開發(fā)可擴(kuò)展性強(qiáng)，可持續(xù)改進(jìn)，安全性和穩(wěn)定性高等要求，并為未來業(yè)務(wù)的擴(kuò)充預(yù)留足夠通道。

數(shù)據(jù)的安全性是最重要的考慮原則，集成系統(tǒng)需支持一年365天，7*24小時(shí)不間斷運(yùn)作，最好采用“雙機(jī)熱備”的備份方案，保障工廠的正常運(yùn)行。

3 設(shè)備與WEB應(yīng)用集成方案

設(shè)備集成之后，還需要與WEB應(yīng)用進(jìn)行集成，以將設(shè)備數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，通常有以下四種方式：

3.1表述性狀態(tài)傳遞REST的集成

這是一種針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的設(shè)計(jì)和開發(fā)方式，可以降低開發(fā)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可伸縮性。根據(jù)REST體系架構(gòu)原則設(shè)計(jì)以系統(tǒng)資源為中心的WEB服務(wù)，通過API應(yīng)用程序接口靈活的為不同種類的應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，可滿足更大的集成需求。

3.2元標(biāo)記語言XML的集成

XML集成強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)為核心，在數(shù)據(jù)管理中優(yōu)勢明顯，它能把供應(yīng)鏈各節(jié)點(diǎn)、不同數(shù)據(jù)源的信息轉(zhuǎn)換成XML數(shù)據(jù)，存儲在虛擬集中存儲器中，用戶通過DOM/SAX來獲取已經(jīng)轉(zhuǎn)換成XML格式的信息;同樣，用戶通過DOM/SAX接口提交的查詢命令，把對方提交的XML格式的信息轉(zhuǎn)換成本地?cái)?shù)據(jù)源能夠識別的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行查詢。用戶通過XML的封裝體實(shí)現(xiàn)彼此之間的交互，而不需要了解對方的數(shù)據(jù)格式。

3.3應(yīng)用服務(wù)Web Service的集成

Web Service為其他應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)與服務(wù)，各應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式來訪問Web Service，通過Web Service內(nèi)部執(zhí)行得到所需結(jié)果。Web Service是創(chuàng)建可互操作的、分布式應(yīng)用程序的新平臺。

3.4數(shù)據(jù)庫底層的集成

借助數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，雙方系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫的觸發(fā)器或者存儲過程等功能實(shí)現(xiàn)直接在后臺實(shí)時(shí)交互、共享數(shù)據(jù)的集成機(jī)制，不需要通過應(yīng)用程序接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。

結(jié)束語：

從設(shè)備底層的集成方案與實(shí)施步驟，到設(shè)備與WEB應(yīng)用的集成方案，可實(shí)現(xiàn)汽車零部件企業(yè)的工業(yè)信息互聯(lián)，消除工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)孤島痛點(diǎn)，為管理人員提供可視化、透明化、精細(xì)化的管理決策依據(jù)，極大的提升企業(yè)的管理效能。

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作者簡介：

王因杰（1984.08—），男，漢族，廣西梧州人，本科，工程師，研究方向：數(shù)字化供應(yīng)鏈及質(zhì)量管理。

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545027）