智能工廠設備建模問題研究

于 瀅，李 準，邱燕超，王澤璋，孫天寶，劉靖輝

(1.中國計量科學研究院，北京 102200；2.北京工商大學，北京 100048)

0 引言

本文背景工廠為某壓縮機工廠，設備層的生產設備種類多樣，通信協議則存在差異，以目前影響力最大的3個自動化廠家如MODICON主要采用了Modbus協議、AB主要采用Ethernet/IP協議、SIEMENS則主要采用Profibus工業局域網協議。這使第三方設備供應商在選擇工業網絡標準時面臨選擇，最終通信接口只能選擇一種，因此造成了互聯互通困難[1]。設備互聯互通包括基于CPS架構的設備通信及建模。以CPS為基礎，由智能工廠、智能生產和智能物流3個子系統構成的互聯網環境下的智能制造框架。CPS的意義在于將物理設備聯網，使物理設備更加智能。國內各工廠現狀使得改變物流系統工程巨大，短期難以實現，因此智能工廠子系統及智能生產子系統是各工廠向智能工廠演進的重要路線[2]。基于CPS的設備定義與建模使設備與設備之間可互相通信，從而實現工廠中設備的互聯互通。

1 多源異構通信協議

1.1 互聯互通現存問題

該廠現有的生產化結構中，每條生產線包含多臺設備，每類產品由一條或多條生產線生產而成，設備之間獨立又有聯系。為實現智能化生產，首先要使設備到上位機以及設備到設備之間能建立起通信。因此制定出以下數據采集通信方案，方案如圖1所示。

圖1 數據采集方案

將每條生產線中的幾臺設備連接至同一網關，網關模塊經由工業以太網接入上位機。為能與生產線中每臺設備建立通信，需首先將設備連接至網關模塊，為減少成本和增加可行性，根據工廠中設備現有情況進行改裝。

表1 車間設備接口現狀及處理辦法

裝配車間中典型生產設備如氣缸調芯機、殼體熱套機、線外充磁機、底座焊機及自動封油機均的PLC品牌均為歐姆龍品牌，而軸承調芯機為三菱品牌。同時同一品牌中的機器亦是對應不同型號，型號間構造差異使設備連接困難增加。

調研發現，裝配車間目前典型的采集口現狀分別有：有空閑的232接口、有無法通信但可轉接的USB接口、有被占用的通信網口，還存在有USB接口但不能通信且不支持擴展。對應的處理方法為有接口的連接通信線進行連接通信，或接入有線/無線網橋進行通信等。

1.2 通信協議結構解析

智能工廠的設備層及單元層的互聯互通在于互聯網異構協議的互聯互通。工廠中擁有多種品牌設備，每種品牌所支持通信協議可能不同。經調研改裝后，工廠中設備連接后數據可經過網關向上傳輸，但數據上傳后因通信協議不同或設備接口不支持而無法進行通信，因此，需對通信協議進行通信協議結構解析，得到統一格式的數據段，從而進行互聯互通[3]。因此，在設備層與服務器層中，設備健康管理及能源預測中采用基于CPS的設備定義及數據采集系統，系統中將預存3000余種通信協議，使系統可隨工廠設備支持的協議進行通信協議定制。

以三菱品牌中Q02UCPU型號為例，該設備采用的是Modbus協議，這是一種主從通信結構，因為只定義了協議層，支持多種電氣接口，包括RS-232、RS-485甚至是以太網。Modbus的通信協議是公開的，可按照Modbus協議格式進行破解報文信息。如表2所示，Modbus幀結構包含4個部分：地址域、功能碼、數據段及差錯校驗。

表2 Modbus幀結構

地址域為目的地址，功能碼為操作方式，數據為真正要傳輸的內容，校驗位則是檢驗傳輸是否有誤，因此，破解Modbus幀結構只需按其結構拆解即可獲得數據。在采集數據時，以Modbus RTU為例，將寄存器與數據幀結構對應，從而對寄存器進行操作，對應關系舉例如表3所示。

表3 寄存器說明

通過對不同編碼段的定義對應Modbus幀結構，使數據采集系統和寄存器實現通信，采集解析后的數據均采用double格式轉為12字節，并以變量值形式存儲。

通信方法一：通信協議公開，則根據相應幀結構進行通信協議為解析變量值，并以變量值形式存儲。

通過對企業內部各因素競爭環境優劣勢歸納分析，采取積極改進措施，發揮優勢、減少劣勢，是增強企業競爭力重要手段。對西部礦業來說，企業文化、人力資源、資源儲備、技術設備都是影響其內部環境的主要因素。

通信方法二：通信協議不公開，如西門子MPI幀結構為保密的協議，因此需要通過接口函數調用動態鏈接庫。

通過設備互聯互通解決大工廠中設備種類繁多不易全面互聯的基本問題，將物理設備通過網絡信息系統架構與上位機服務器全面互聯，使工廠在物理設備層可達到智能工廠全面互聯的基礎條件。

2 設備定義與建模

工廠中設備可與上位機通信后，服務器則需標識每臺設備并構成設備樹，便于管理與通信。該工廠有兩個分工廠，位于不同地理位置，架構相同，其中第一分工廠中有3個車間：卷線車間、機加車間及裝配車間，每個車間中有多條生產線由不同設備組成，設備從功能上又可分為兩類：通信設備及生產設備。因此對工廠中各設備進行管理采用逐層定義的方式，由工廠-車間-生產線-設備進行逐層定義。

2.1 設備唯一標識

參照OID定義工廠中每類設備，從而實現對每臺設備的唯一標識，使工廠中設備全面互聯互通，提升工廠中設備開動率。在工廠車間中，生產或裝配同一的不同生產線有很多條，即冗余工作需做很多。采用工廠建模，對同類設備采集相同變量時進行模型建立，將每個設備作為對象，對對象進行統一設置并采集，提升工作效率。因此，參照OID定義工廠中每類設備：定義第一分工廠中通信設備為GTX(1.1.)即第一分工廠第二車間為GSC(1.2.)；第一車間中設備定義細分如表4所示。

表4 第一車間中設備定義

本課題對工廠中通信設備標識為GTX，第一車間為GTX_1，第一車間中生產線A為GTX_1.1，生產線B為GTX_1.2，依此類推，對車間中每臺設備進行唯一標識。

對第一分工廠中的裝配線進行了唯一標識，整條裝配線包括上殼體焊機、下殼體焊機、底座焊機、轉子熱套、殼體熱套及高頻焊。設備工藝參數通過網關上傳至服務器。表5定義了第一分工廠中某條裝配線的設備。

表5 第一分工廠裝配線設備唯一標識

裝配線共有6臺設備流水線作業，分別為：轉子熱套、殼體熱套、上殼體焊機、下殼體焊機、底座焊機及高頻焊。根據上述標識規則，轉子熱套標識為GSC_1.1.1，殼體熱套標識為GSC_1.1.2，上殼體焊機標識為GSC_1.1.3，下殼體焊機標識為GSC_1.1.4，底座焊機標識為GSC_1.1.5，高頻焊標識為GSC_1.1.6。為采集各設備工藝參數等信息，因為設置服務器IP，定為192.168.1.67，即將192.168.1頻段分給各網關使用，此裝配線對應網關定義靜態IP為192.168.1.34，便于識別。同時網關給各設備分配IP地址，定義地址段在192.168.70.1—192.168.70.19區間，隨即將192.168.70.1分配給轉子熱套，192.168.70.2分配給殼體熱套，依此類推，唯一標識每臺設備。

采集系統中需采集各設備工藝參數，某裝配線中上殼體焊機采集變量點如下表6所示。采集某變量時需對該變量對應的基本屬性逐一進行定義。如收弧時間變量屬性包括：采集設置、數據范圍、數據關聯、數據記憶、計算邏輯、工程單位等。每臺設備需采集幾十個變量，而每一個變量均需依次設置基本屬性，而在工廠車間中，生產或裝配同一產品的不同生產線有很多條，即冗余工作需做很多。

表6 上殼體焊機采集收弧時間變量基本屬性

2.2 設備建模

將工廠架構分為3層框架進行設備建模，框架如圖2所示。

圖2 某壓縮機工廠設備建模三層框架

第一層設備結構建模是建立多層次建模的基礎，主要包括相同設備及流程設備的工藝參數設置。工廠中多由多條生產線生產同種零件或產品，生產或裝配同一產品的需求使不同生產線需進行相同的配置并采集相同的工藝參數，因此會產生繁雜的冗余工作，采用依托數據進行設備采集變量點建模，減少人工重復性工作易產生的錯誤及冗余工作帶來的負擔。

智能工廠系統中不同的功能模塊包括：工業數據采集與控制系統、工業實時、歷史數據庫、智能工廠業務系統、智能工廠展示系統等軟件或者服務，都要基于統一的系統模型，也就是按照統一的模型體系進行建模，包括模型屬性、模型監測點成員、模型計算點成員、模型計算邏輯、模型圖形等，模型建立之后，其生成的對象的不同部分會自動分配到不同的系統去運行，比如對象的監測點成員會分配到工業數據采集與控制系統中、對象的

計算邏輯和計算點成員會分配到工業數據庫系統中、對象的圖形會分配到智能工廠展示系統中等，實現模型對象的自動對接。超大規模設備、超大規模監測點，如果還像傳統的智能工廠、工廠自動化那種方式，通過逐個構建監測點、構建圖形、構建計算邏輯的方式，是難以實現海量設備和監測點的智能工廠系統的構建的。

第二層模型抽象是工廠管理設備的基礎，將工廠中設備抽象為點，構成樹狀結構，便于直觀體現設備間的關系，為第三層建模打下基礎。用戶可根據工廠中現場情況定制模型結構，包括數據驅動的模型結構、產品鏈驅動的模型結構、同類設備驅動的模型結構等。針對工廠中以生產線結構為驅動，建立了產品鏈驅動的模型結構，將生產同一產品的不同生產線只需添加設備至樹狀結構下，通過一鍵建模，實現了對應模型層次中的相同位置每臺設備即被設置相同的配置并采集相同的對象屬性變量點。以裝配車間部分設備樹狀結構為例，如圖3所示。

圖3 裝配車間部分設備樹狀結構

第三層設備邏輯建模為管控設備生產流程的基礎，以生產線為例，生產線條數n，?n∈N，通常工廠中的生產線的生產率是基于工廠中該條生產線的零件檢驗及分析數據以及歷史生產統計數據。現實中生產線的生產率與期望值會存在誤差，因此定義智能工廠建模中，誤差生產率用γ描述，在每次生成過程中基于一定規則隨機產生。對于?out∈OUT，有：

Ye，n，out=Yr，n，out+γr，n，out

(1)

-YVnYr，n，out≤γr，n，out≤YVnYr，n，out

(2)

于是該生產線進出零件流量平衡方程：

(3)

對于生產線分流點及匯流點，功能相似，分流點為一條生產線接入下一條或多條生產線的節點；匯流點為多條生產線生產同種零件并轉入多條生產線同時進行同種加工的節點。

(4)

(5)

對于生產線匯流點，加工后的零件生產線出的流量通過匯流點的流量平衡方程直接獲得。而對于生產線分流點，由于起到分流的作用，所以在制定計劃時，流量應該有相應的期望，即有指令流量平衡方程如式(6)所示，由于上條生產線生產過程中的不確定性可能導致Fn，in，t≠FOn，in，t，即期望零件進入生產線流量不等于零件進入生產線指令流量[3]。因此對每條生產線出零件流量采用按比例平均分配方式，滿足(7—8)：

(6)

(7)

in=IN，?n∈SP，?out∈OUT

(8)

本文通過對生產線設備建模達到控制同種零件生產排產等作用，同時實現根據零件生產需求對設備進行按需配置。

3 結語

本文針對工廠向智能工廠轉型時設備互聯互通困難問題研究了智能工廠設備建模，為工廠智能化提供基礎。所研究建模問題解決了某壓縮機工廠目前存在的互聯互通問題，對通信協議結構進行了解析，在工廠中對設備進行了唯一標識及設備建模，為工廠向智能工廠轉型打下了基石，通用性較強。