高校智能制造實驗平臺管理系統設計

何蕾 汪惠芬 柳林燕 高昀稷

摘 要：智能制造新形勢下，高校作為自動化技術和現代化人才的培養搖籃，需要大力開發校內智能工廠實驗室平臺。基于此，智能制造實驗平臺應該充分利用當前物聯網自動化物流技術，設計自動化生產流程，配備相應的硬件設備。同時在此基礎上開發實驗室管理系統;根據實驗平臺設備布局及生產流程。文章重點闡述開發該實驗平臺管理系統的思路，包括平臺管理系統的需求分析、功能分析以及軟件系統與底層設備集成研究，實現了實驗平臺信息化管理的初步探究。

關鍵詞：智能工廠;實驗室管理系統;C/S結構;OPC通訊

中圖分類號：TP 3

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0157-04

Abstract：Based on the intelligent manufacturing experimental teaching platform developed by colleges and universities in the new situation of intelligent manufacturing， this paper fully understands the development of intelligent laboratories at home and abroad， introduces the equipment layout and production process of the experimental platform， and focuses on the ideas for developing the experimental platform management system. This paper analyzes platform management system， functions and the integration of software system， and the underlying equipment research. It realizes the preliminary exploration of experimental platform information management.

Key words：smart factories;laboratory management system;C/S architecture;OPC newsletter

0?引言

隨著信息化，大數據時代的到來，工業自動化技術發展迅速，各國制造業正將智能制造作為重點發展主題。自德國“工業4.0”理念在漢諾威工業博覽會上正式推出后，就在全球引發了積極反響及各國不同形式下驅動的工業轉型。我國國務院在2015年印發了《中國制造2025》。提出了未來一定時期內我國制造業發展的目標：到中國建國一百周年時，中國從制造大國成為世界一流的制造強國。按照《中國制造2025》的要求，要把智能制造作為制造業轉型升級的重要突破口[1]。智能工廠就是實踐工業化和信息化“兩化融合”概念的發展載體，現已成為當前“智能制造2025”的建設和發展方向。南京理工大學CIMS教研室切合這一政策，提出構建智能制造實驗平臺，旨在結合物聯網技術，自動化物流技術，模擬工廠運作流程，建立一條完整的生產線，引導學生通過實際操作，了解生產線流程及軟硬件交互成果，進一步提高對智能制造的認知。本文研究內容即配合實驗平臺生產流程，研究當前軟硬件集成通訊OPC技術和系統開發技術，對實驗平臺管理系統進行設計，協調生產過程，實時采集生產數據，跟蹤生產進度，實現實驗平臺的生產智能化和管理信息化。

1?智能制造理念下的高校智能工廠實驗平臺建設

1.1?智能工廠概述

“工業4.0”概念下項目的一大主題就是智能工廠。智能工廠的構建包括智能化硬件設備和制造管理軟件，同時融入了物聯網技術、智能傳感器技術、工業無線傳感網技術、自動化物流技術、現場總線技術以及智能處理等技術到生產各個環節。結合現有的信息管理手段，實現復雜工業現場數據采集，優化生產線上線下調度方案，實現產品質量跟蹤追溯，設備維護與診斷記錄，生產過程跟蹤等功能，實現制造全面智能化生產 [2]。

1.2?高校智能制造實驗平臺發展現狀

目前，大部分的教學式生產線通常只關注生產制造的某一個環節，而基于工業4.0的智能工廠實驗系統想要在實驗平臺內再現產品“從無到有”的設計、制造與管理的完整過程。因此，許多高校已經開始著手項目平臺設施建設，同時已有高校初步完成該實驗平臺的搭建。2014年10月同濟大學建設成立全國首家“工業4.0—智能工廠實驗室”。該實驗室配有操作機器人、加工設備、傳送設備、檢測設備等硬件構成高度自動化生產線，并由服務器、傳感器、RFID、等設備構建信息物聯網，通過上層軟件將整個系統連接起來成為一個高度集成的CPS網絡，實現了在制品與機器，人與機器之間的實時通訊及協同工作。天津大學電氣與自動化實驗中心已經建設了虛擬啤酒生產線，模擬了生產線中包括制麥、糖化、過濾、罐裝、金檢等18個部分，可為自動化專業的學生提供47項實驗。在國外，意大利卡塔尼亞大學工程學院、華盛頓大學等一些頂尖高校均建立了開放的實驗教學平臺[3-4]。智能制造實驗平臺作為響應智能工廠的教學試驗展示平臺，對高校實驗室建設、相關專業科研、以及對學生綜合素質的培養都具有著重要的意義。

2?智能制造實驗平臺方案設計

2.1?實驗平臺總體搭建

2.1.1?實驗平臺總體布局

構建實驗平臺的目的在于建設一個校內智能實驗平臺，用于學生試驗及供平臺來訪者體驗簡單直接的生產過程。平臺以RFID卡片為原材料，設有6個生產工位，包括上下料機械手， AGV小車，RFID讀寫器，掃碼槍，視覺檢測儀，立體倉庫等設備，完成原材料的生產加工，模擬一條完整生產線，同時運用物聯網技術，自動化物流技術，提高產線的自動化程度。通過仿真軟件，構建實驗平臺布局，如圖1所示。

2.1.2?實驗平臺生產流程設計

因實驗平臺用作教學及成果展示，實驗平臺選用RFID卡片為加工原材料，根據來訪者個人信息設計卡片圖案并打印，共設六工位，完成原材料出入庫、錄入信息、打印圖案、張貼標簽、成品出入庫等步驟的加工，完成生產過程的同時成品可用作紀念品給來訪者留存。實驗平臺的生產模式分為單件生產和批量生產，主要不同在于其工藝路線制定，但不同生產模式最多涉及6個工位生產。基本生產布局，如圖2所示。

實驗平臺生產流程，如圖3所示。

2.2?實驗平臺管理系統需求分析

2.2.1?系統功能需求

根據實驗平臺的構建方案，對實驗平臺管理系統的功能需求進行分析，主要需求點如下。

1） 實現生產信息同步：操作人員可以及時了解原材料信息，根據信息下發訂單，同時實時查詢訂單完成進度;

2） 物料狀態監管：通過應用RFID技術，對生產過程進行物流跟蹤，隨時了解工件所處的工位和在制品狀態;

3） 提高管理人員作業效率：減弱或消除管理人員的重復工作，消除重復信息錄入，減少手工匯總作業，提高信息處理準確性;

4） 提供完善的實驗車間設備運行記錄：生成設備運行記錄，包括運行路線，指令等，記錄設備故障及維護記錄，便于實驗室設備管理;

5） 車間生產數據采集：采集生產過程中的圖像信息、RFID采集信息、在制品質量信息等， 并做相應圖表反饋。

2.2.2?系統開發需求

系統開發需求如下。

1） 教學實用性：系統的工作流程設計靈活，學生和老師可以自主設計產品加工信息，工藝路線，并且可以對系統進行一些項目的開發與實現;

2） 可靠性：保證運行過程中系統的穩定性和信息的可靠性;

3） 可拓展性：充分考慮現有功能需求，在系統功能結構設計和軟硬件配置、網絡選型、結構設計、數據庫設計方面預留可拓展空間，保證系統的靈活性、開放性和可拓展性;

4） 易維護性：有便捷的用戶界面，以便于系統管理人員維護和管理。

3?系統設計關鍵技術

3.1?軟件架構選擇

體系結構是指計算機各組成部分之間的相互關系，它的定義包含硬件、軟件、算法和計算機語言多種概念。目前軟件開發主流體系結構主要有B/S結構和C/S結構兩種。兩種體系結構各項性能對比，如表1所示[5]。

實驗平臺管理系統的應用環境是校內實驗平臺，應只允許局域網內訪問操作，重要的是保證生產過程信息的傳輸速度和安全性。從表中不難看出，C/S結構從實驗平臺重視的的訪問速度、安全性、和功能方面都比B/S結構更適合。因此，本實驗平臺管理系統采用C/S結構開發。

3.2?系統數據庫設計

系統選用SqlServer數據庫作為系統數據庫。本實驗平臺系統主要包括管理員信息、訂單信息、設備信息、生產過程數據以及物料出入庫等信息的處理。數據庫表設計的簡潔度對軟件開發過程中的數據處理難易程度至關重要，根據本平臺數據類型，設計了用戶信息表、訂單信息表、生產過程信息表、設備信息表、庫位及出入庫記錄表、質量統計信息表等主要庫表。

3.3?基于OPC的軟硬件集成技術

OPC（OLE For Process Control）是以OLE/COM機制作為連接數據源（OPC服務器）和數據的使用者（OPC應用程序）之間開放統一的嵌入式過程控制接口標準。客戶端可以實現基于OPC協議與相應OPC服務器的上位機與控制器間的數據交換，OPC服務端可以直接與現場設備進行數據交換。現已被廣泛應用于自動化控制領域及生產信息管理領域。實驗平臺OPC通訊示意圖以及實驗平臺數據交換框架，如圖4、圖5所示。

通過OPC協議，是軟件系統與生產現場設備通訊，實現數據采集的基本流程如下。

（1） 創建服務器端連接：從客戶端創建與服務器端連接的OPC服務對象，為對象創建OPC服務器連接;

（2） 創建服務組：在服務器端為對象創建監控組，其中添加用戶想要監控的點位;

（3） 數據監控：設置周期值，對監控組的數據進行循環刷新;

（4） 周期性存儲：根據之前添加的點位，將點位監控值和當前監控時間記入數據庫表。

4?實驗平臺管理系統詳細設計

4.1?系統體系結構

系統采用C/S結構，以Visual Studio 2017為開發環境，分數據層（DAL）、業務層（BLL）和表示層（UI）三層開發，表示層是用戶界面層，即用于操作的可視化界面，UI層采用.net平臺winform窗體開發， Winform可調用各類控件設計窗體界面，創建豐富的基于Windows的應用程序;業務層是后臺對頁面操作的邏輯處理層，包括實體類和DAO數據訪問對象，數據訪問對象為實體對象提供連接數據層的接口方法;數據層采用ado.net數據訪問技術用于對數據庫的訪問及提供對數據的增、刪、改、查基本操作方法。

4.2?系統功能模塊設計

根據實驗平臺管理系統功能需求，將管理系統功能分為六個模塊設計，如圖6所示。

1） 基礎信息管理模塊

主要是對基本信息的定義和管理，設有系統管理、庫位定義和工藝路線制定幾個子模塊。其中，系統管理子模塊主要負責用戶的增刪改及用戶密碼權限管理等，庫位定義是對倉庫的基本信息作介紹，工藝路線制定是針對單個生產和批量生產進行的不同的工藝路線制定，用于訂單下達時的工藝路線選擇，其對應路線代碼也會下達給設備。

2） 訂單管理模塊

訂單來源于來訪者的錄入信息，下達時會生成出庫準備單，同時將相應的工藝路線下發給設備，該模塊可查詢所有訂單及其完成狀態、所需物料等。

3） 倉庫管理模塊

主要是對倉庫的庫存管理及統計，記錄原材料和成品的出入庫，以及統計庫存，便于訂單下達時的出庫準備等。

4） 生產跟蹤模塊

設有生產執行控制、生產可視化及生產進度查詢子模塊，生產執行控制模塊主要是針對異常訂單的加工過程，進行生產路線修改、訂單回收等操作，生產過程可視化是對生產過程實時視頻信息的采集與展示，生產進度查詢是利用RFID識別技術，跟蹤生產過程，了解產品的實時生產位置等。

5） 設備管理模塊

設有設備信息管理、設備維護記錄和設備運行記錄子模塊，主要是實現對設備的基本信息管理，運行狀態掌握和維護信息記錄。

6） 質量管理模塊

主要包括生產過程中產品及設備的質量記錄和生產數據的統計分析。

4.3?系統實現

本文設計的智能實驗平臺管理系統主要實現實驗平臺生產訂單管理，原材料出入庫管理，及與底層硬件設備集成，實現生產過程跟蹤等功能。下面以用戶管理和訂單管理為例，從流程圖和部分代碼闡述開發實現過程。

以系統管理模塊用戶管理功能為例的操作流程，主要實現對用戶的增刪改操作，如圖7所示。

訂單管理模塊操作流程圖，執行訂單的增刪改操作，如圖8所示。

以訂單錄入為例，實現代碼如下。

if

（txtOrderName.Text==string.Empty||txtOrderID.Text==string.Empty||txtClientName.Text==string.Empty）{MessageBox.Show（"重要信息不能為空"）;

return;}

stringsql=string.Format（"insert into ProductInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ProductID，ProductKind，ClientName，ClientInfo） values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'，'{6}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductID.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text，txtClientInfo.Text）;

stringsql1=string.Format（"insert into OrderInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ClientName，ClientInfo，Contact）values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text， txtClientInfo.Text， txtClientContact.Text）;

int i = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql）;

int t = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql1）;

if （i > 0 && t > 0）

{MessageBox.Show（"添加成功"）;

clearText（）;}

else

{MessageBox.Show（"操作失敗"）;}

return;

其中，DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery表示對數據庫的添加執行。

5?總結

高校基于當前制造業發展的主要趨勢及提升制造水平的重要方式，向智能工廠模式看齊，著手打造學校智能化實驗平臺，同時提高對制造過程的智能化、自動化研究。本文研究內容結合當前的自動化物流技術，實驗平臺構建設想，完成了對該平臺管理系統的需求及功能設計，并完成了對主要功能的開發和實現。

參考文獻

[1]?張泉靈，洪艷萍.智能工廠綜述[J].自動化儀表，2018（8）：39.

[2]?羅鳳.智能工廠MES關鍵技術研究[D].綿陽：西南科技大學，2017.

[3]?莫智豪，蘭俊斯，鐘廣寧，等.NET和OPC協議的能中數據采集系統的設計與實現[J].柳鋼科技，2018（5）：45-47.

[4]?白瑞峰.智能制造虛擬實驗系統設計與集成[J].實驗技術與管理，2016（33）：129-131.

[5]?張祖國.基于全制造服務周期的智能工廠系統結構模型[J].艦船科學技術，2016（9）：121-128.

（收稿日期：2019.09.02）