一種離散制造過程智能管控技術(shù)研究

張弦弦， 劉治紅， 徐曼菲

（中國兵器裝備集團自動化研究所 智能制造事業(yè)部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

智能制造是21 世紀制造業(yè)發(fā)展的風向標，離散制造行業(yè)做為我國制造業(yè)的重要支柱， 實施智能制造是向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的必經(jīng)之路。目前國外數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從MBD/MBI（基于模型的定義和作業(yè)指導(dǎo)書）、 數(shù)字化管理等向制造現(xiàn)場的更深層次推進，建立數(shù)字化的生產(chǎn)線管控系統(tǒng)是一個重要趨勢。 國外制造企業(yè)的生產(chǎn)管控數(shù)字化已經(jīng)取得較好的進展， 數(shù)字化的管控信息已能傳遞到制造現(xiàn)場， 現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)計算機終端已經(jīng)成為管理者和作業(yè)工人交互的平臺。

我國由于離散制造行業(yè)的特殊性和生產(chǎn)組織的復(fù)雜性，整個行業(yè)制造過程的數(shù)字化程度較低。經(jīng)過多年信息化發(fā)展的經(jīng)驗， 業(yè)界已經(jīng)意識到現(xiàn)場實時感知和過程精益管控是離散制造行業(yè)實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

筆者針對離散制造行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場實時感知和過程精益管控瓶頸問題，介紹一種智能管控技術(shù)，實現(xiàn)離散制造過程數(shù)據(jù)全面實時獲取、過程數(shù)字化貫通，提升現(xiàn)場透明化、管理扁平化、生產(chǎn)連續(xù)化水平，為離散制造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供底層支撐。

1 研究內(nèi)容

基于制造物聯(lián)、先進控制、嵌入式軟件、場景建模與優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)化制造、軟件平臺技術(shù)等成熟技術(shù)，研究異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、制造大數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)過程智能監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)， 在車間制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)具有行業(yè)通用性、適合普遍推廣的智能管控平臺，為離散制造行業(yè)提供智能生產(chǎn)解決方案和相應(yīng)的軟硬件工具與產(chǎn)品。

異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。 針對生產(chǎn)線上的數(shù)控加工設(shè)備、質(zhì)量檢測設(shè)備、數(shù)字化采集設(shè)備、安全檢測設(shè)備等異構(gòu)系統(tǒng)，通過通信協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，屏蔽接口和協(xié)議的異構(gòu)性。建立結(jié)構(gòu)開放的通訊協(xié)議庫， 編制通用的通信協(xié)議解析程序，實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

圖1 研究內(nèi)容

制造大數(shù)據(jù)分析。 基于采集的生產(chǎn)現(xiàn)場海量制造數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的抽取、分析等技術(shù)，為設(shè)備故障的預(yù)測預(yù)警、質(zhì)量優(yōu)化控制、物料需求變更和供應(yīng)關(guān)系調(diào)整等提供決策依據(jù)。

生產(chǎn)過程智能監(jiān)控。 基于采集的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)異常的建模分析，實現(xiàn)生產(chǎn)線運行狀態(tài)的集成監(jiān)控。支持生產(chǎn)異常分析，根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化趨勢，進行生產(chǎn)異常預(yù)測預(yù)警； 實時定位跟蹤現(xiàn)場出現(xiàn)的異常情況進行快速處理[1]。

數(shù)字化智能管控平臺。 以制造執(zhí)行系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建統(tǒng)一的制造數(shù)據(jù)中心，建立通用的集成框架，集成物聯(lián)數(shù)采、智能監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)。 實現(xiàn)制造過程中產(chǎn)品、人員、物資、設(shè)備、工藝等環(huán)節(jié)的有效管理和協(xié)同生產(chǎn)。

1.1 異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

研究通用的采集設(shè)備和軟件，實現(xiàn)通過網(wǎng)口、串口、CAN 總線等方式，TCP/IP、RS-232/485、OPC 等通訊協(xié)議，以太網(wǎng)、WIFI、ZIGBEE 等有線或無線傳輸方式進行生產(chǎn)線上硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

（1）異構(gòu)通信協(xié)議解析。 對于不同的設(shè)備采用的硬件接口、對外輸出數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的協(xié)議不同，編寫通用的通信協(xié)議解析程序，通過配置不同的的通信設(shè)備，實現(xiàn)不同通信協(xié)議的解析。

通過設(shè)備描述表及協(xié)議解析棧完成多協(xié)議解析，其中設(shè)備描述表用于描述設(shè)備名稱、連接的位置、協(xié)議類型等的描述；協(xié)議解析棧由各種協(xié)議解析模塊構(gòu)成，每種協(xié)議解析模塊負責解析不同設(shè)備協(xié)議。通訊時，從設(shè)備描述表獲取各個設(shè)備及其數(shù)據(jù)的描述信息， 調(diào)用相應(yīng)協(xié)議解析模塊獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)池，由通信協(xié)議對外提供接口服務(wù)。

（2）多線程數(shù)據(jù)采集。 為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的大容量、高速采集，采用多線程技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。主線程實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，采集線程采集項目的高速采集，保存線程實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的定期保存，并負責清理內(nèi)存。

（3）多模式數(shù)據(jù)融合。 生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)、工藝要求數(shù)據(jù)等的采集。各類數(shù)據(jù)的采集周期、實時性要求、內(nèi)容格式、結(jié)構(gòu)形式存在差異，需要以業(yè)務(wù)過程為主線，按順序定義各環(huán)節(jié)的信息結(jié)構(gòu)，信息關(guān)聯(lián)關(guān)系，將采集的各種數(shù)據(jù)進行融合處理，按信息結(jié)構(gòu)進行組織。采用基于概率傳輸?shù)拇貎?nèi)數(shù)據(jù)融合算法，進行數(shù)據(jù)篩選、處理。 建立基于時間隊列的數(shù)據(jù)集，設(shè)定數(shù)據(jù)偏差變動閾值，實時甄別數(shù)據(jù)的偏差變動范圍， 當偏差范圍較大且不連續(xù)或持續(xù)時間較短的數(shù)據(jù)，作剔除處理。

1.2 制造大數(shù)據(jù)分析

利用制造大數(shù)據(jù)辨識技術(shù)， 將生產(chǎn)線設(shè)備采集與其他來源的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在預(yù)設(shè)定的標準范圍進行判斷和甄別，并給出相應(yīng)結(jié)果，實現(xiàn)智能辨識生產(chǎn)過程信息；通過消息推送技術(shù)，把數(shù)據(jù)推送到結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲與管理； 構(gòu)建工業(yè)工程的過程管控、 現(xiàn)場監(jiān)控等應(yīng)用實例的計算分析模型； 利用制造大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)面向離散行業(yè)制造大數(shù)據(jù)的智能化分析，并將其分析結(jié)果進行可視化展示。

圖2 制造大數(shù)據(jù)分析技術(shù)功能組成

制造大數(shù)據(jù)分析技術(shù)由三大功能組成：數(shù)據(jù)源、大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐技術(shù)及數(shù)據(jù)可視化。

數(shù)據(jù)源：提供整個制造過程中所涉及的“人、機、料、法、環(huán)”等資源信息，以及外部系統(tǒng)如ERP、PDM 等數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)服務(wù)支撐技術(shù)：包括數(shù)據(jù)采集、存儲與管理、智能分析等技術(shù)。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)提供實時生產(chǎn)制造過程數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)裝載到指定的數(shù)據(jù)存儲容器內(nèi)。 以元數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式提供強大的抽取、轉(zhuǎn)換和加載能力。支持結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)采集的能力。

數(shù)據(jù)存儲技術(shù)基于Hadoop/Spark（分布式系統(tǒng)框架），通過整合優(yōu)化，構(gòu)建統(tǒng)一運維、海量存儲、高可用、高性能、穩(wěn)定易用的數(shù)據(jù)中心， 并能夠?qū)Υ鎯Φ臄?shù)據(jù)進行聯(lián)動、鉆取、切片、元數(shù)據(jù)管理等功能。 為上層應(yīng)用提供完整支撐。

數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)基于MQTT（消息隊列遙測傳輸協(xié)議）。它是一個即時通訊協(xié)議，提供輕量級的、一對多的消息發(fā)布，支持可發(fā)布/可訂閱的消息推送模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速網(wǎng)絡(luò)傳輸。

數(shù)據(jù)分析技術(shù)基于框架+插件的方式， 構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘、學(xué)習的智能平臺，分析海量數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，為生產(chǎn)制造的優(yōu)化與改進提供建議。 包括了智能算法庫和各項業(yè)務(wù)分析算法，能夠?qū)υO(shè)備、質(zhì)量、工藝等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行智能化分析。

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)直觀展示生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)。 提供兩種緯度的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，一種是采用三維仿真技術(shù)，對生產(chǎn)線和制造車間的生產(chǎn)設(shè)備進行建模，將整個車間虛擬化，在電子看板上可以查看到整個車間以及生產(chǎn)線的詳細情況；一種則是提供圖表組件， 通過靈活配置的形式展示需要呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表[2]。

1.3 生產(chǎn)線智能監(jiān)控

生產(chǎn)線智能監(jiān)控將制造過程與制造資源“人、機、料、法、環(huán)”等信息鏈接起來，實現(xiàn)對制造資源智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。 通過采集大量底層運行的實時動態(tài)數(shù)據(jù)和信息， 支撐生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控， 并在現(xiàn)場大屏、操作終端、電子看板等展示各生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)情況、突發(fā)事件、事件跟蹤、改進情況等，以滿足企業(yè)生產(chǎn)指揮調(diào)度、突發(fā)事件響應(yīng)、質(zhì)量監(jiān)控等方面的管理要求。

（1）生產(chǎn)過程執(zhí)行跟蹤。通過生產(chǎn)線數(shù)字化采集設(shè)備，實現(xiàn)從生產(chǎn)派工、任務(wù)接收、開工、生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗、完工等整個過程的執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取，跟蹤生產(chǎn)記錄、作業(yè)計劃、檢驗記錄等詳細信息，實現(xiàn)整個生產(chǎn)任務(wù)的透明跟蹤。

（2）生產(chǎn)異常監(jiān)控預(yù)警。 實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，當出現(xiàn)設(shè)備故障、物料短缺、工裝工具缺失、來料質(zhì)量問題、工序缺陷、無法達到要求的節(jié)拍時間等生產(chǎn)異常情況時，通過人工或監(jiān)控系統(tǒng)自動發(fā)出即時信號，進行聲光預(yù)警，同時采用基于B/S 模式的HTTP 長連接的“服務(wù)器”推送技術(shù)，將異常數(shù)據(jù)以消息的方式及時傳送給指定人員和數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，進行信息提醒及展示。相關(guān)人員接收到異常后自動觸發(fā)相應(yīng)的處理流程進行異常排除。 當一段時間內(nèi)未響應(yīng)，監(jiān)控系統(tǒng)自動升級異常進行逐級上報。

1.4 數(shù)字化智能管控平臺

圖3 數(shù)字化智能管控平臺集成圖

基于生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)物聯(lián)采集、 生產(chǎn)資源及生產(chǎn)工藝的數(shù)字化構(gòu)建制造執(zhí)行系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程運行的計劃、調(diào)度規(guī)則、 協(xié)調(diào)與控制進行深度挖掘。 融合制造大數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)線智能監(jiān)控技術(shù)，形成大數(shù)據(jù)驅(qū)動的車間數(shù)字化智能管控系統(tǒng)，為企業(yè)打造一個制造信息集成的平臺。平臺實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與車間排程、產(chǎn)線作業(yè)管控、產(chǎn)線物料管控、在線質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備與工裝量具的管理、產(chǎn)品追溯與生產(chǎn)決策等功能，貫通設(shè)計、制造、管理等環(huán)節(jié)的數(shù)字化信息鏈，能合理安排生產(chǎn)線作業(yè)計劃、精確管控制造執(zhí)行過程、科學(xué)決策及時處置生產(chǎn)異常，有效保障產(chǎn)品高效生產(chǎn)。

2 創(chuàng)新點

數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)協(xié)同的生產(chǎn)過程數(shù)字化管控模式。 以生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)鏈的全線貫通為基礎(chǔ)， 通過研究生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)收集、存儲、分析、處理、應(yīng)用的系列方法，創(chuàng)新建立數(shù)據(jù)驅(qū)動業(yè)務(wù)協(xié)同的離散行業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)字化管控模式，解決生產(chǎn)現(xiàn)場組織效率低、難以精確管控的問題。

虛實結(jié)合的生產(chǎn)過程可視化智能監(jiān)控方法。以大量生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動化采集為基礎(chǔ)，建立生產(chǎn)線運行監(jiān)控指標評估體系和方法模型，通過數(shù)據(jù)的融合處理、綜合分析和可視化顯示，實現(xiàn)生產(chǎn)線運行狀態(tài)的智能監(jiān)控[3]。

3 結(jié)束語

本項目成體系地研究了離散制造行業(yè)智能管控技術(shù)構(gòu)建的方法， 以及從業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)兩個維度實現(xiàn)了數(shù)字化和智能化的管控平臺， 為離散制造行業(yè)實施智能制造提供了軟硬件一體化的基礎(chǔ)解決方案， 可以用于滿足不同規(guī)模的數(shù)控車間或生產(chǎn)線數(shù)字化、智能化管控需求。

但由于離散制造行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備普遍存在系統(tǒng)專業(yè)性強、接口協(xié)議異構(gòu)、數(shù)據(jù)采集實時性要求高、數(shù)據(jù)采集實施困難、各行業(yè)的生產(chǎn)管控模式差異性大等問題，導(dǎo)致智能管控軟件無法做到統(tǒng)一化、產(chǎn)品化，需要定制、開發(fā)工作量大。 因此，嘗試采取不同程度的模塊化、服務(wù)化的開發(fā)形式搭建即插即用的管控平臺基礎(chǔ)框架， 將管控平臺功能模塊進行組件化封裝，構(gòu)建功能組件庫。用戶可根據(jù)企業(yè)性質(zhì)、規(guī)模和管控范圍“按體選衣”，快速搭建出基本滿足需求的生產(chǎn)管控系統(tǒng)， 有效降低企業(yè)實施制造智能管控的周期和成本。