基于現場總線的生產線數據檢測與信息化系統實現

韓鵬 李新恒 劉軍 張景亮 陳祎

[摘 ? ?要]隨著智能制造和2035年遠景目標的出臺，我國制造業發展面臨更大的機遇與挑戰。企業在生產環節中需要針對、運輸、制造、檢測、庫存和銷售環節建立相應的信息化系統。針對不同企業生產特點、工藝需求等要素，信息化系統涉及的領域和設計方案有所不同。本文分析了一般自動化行業的信息系統需求，并提出了一種信息系統的實現方案。

[關鍵詞]智能制造;信息化;信息系統;生產工藝

[中圖分類號]TP274.2 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）03–00–03

[Abstract]With the introduction of intelligent manufacturing and the long-term goal of 2015， the development of China's manufacturing industry is facing greater challenges. In the production process， enterprises need to establish the corresponding information system for deduction， transportation， manufacturing， testing， inventory and sales. According to the production characteristics and process requirements of different enterprises， the information system involves different fields and design schemes. This paper analyzes the information system requirements of general automation industry， and puts forward an information system implementation scheme.

[Keywords]intelligent manufacturing; informatization; information system; production process

1 檢測與信息化系統（L2）功能

在智能制造的浪潮下，企業對生產線信息化提出了更高的要求，一般來說，生產線信息化需要具有以下功能模塊：①數據通信模塊。面向L3（企業ERP）和L1（生產線信息化）層級進行數據通信。②信息采集模塊。針對生產線和工件流轉信息，提供相應的狀態監視（CM）數據的收集和工件生產線流轉數據采集。③數據庫功能模塊。對L3級別和L1級別獲取的數據，利用合適量級和成本的數據庫軟件，提供數據的存儲、查詢、修改與刪除功能，其中數據涉及生產設備自身狀態數據、報警、工件流轉、物流倉儲和訂單數據等。④信息處理模塊。信息采集模塊收集的信息提供合理的數據處理算法，并對數據進行統計學、時域、頻域和時頻域分析，為采購、生產訂單安排、數據故障預警提供一定數據支持。⑤現場生產數據展示模塊。根據生產工序展示各個OP工位生產相關信息，如工藝菜單數據、加工進展、合格率等。⑥人機交互模塊。針對不同使用人員提供分級權限設定、登陸密碼確認、考勤統計等功能。

2 系統構架

2.1 數據系統

數據服務器是整個數據系統的核心，根據生產線規模的不同，服務區的架設位置和數目也不同。針對大型生產系統，含有多個具有復雜工位的生產線，可能需要有針對性地架設特殊類型服務器，并設計合理的通信構架。

服務器僅作文檔/數據備份，車間各個服務器可以設定在某個時間段自動向服務器備份，網絡負擔小，且不會發生因為網絡故障，車間無法工作等情況。管理人員可以分別登錄各車間服務器，對生產線狀況進行必要的查詢統計。

2.2 硬件架構

交換機和路由器是數據組網的關鍵部件，選用三層交換機和路由器端口映射或VPN的方式，可以實現多級網絡通信，并可以通過映射等方式實現外網的數據訪問。每臺數控設備的連接是通過智能終端和屏蔽網線連接就近位置的交換機，通信協議為PROFINET，且具有良好的現場抗干擾能力。

企業的工業局域網承擔著設備和高級企業信息系統互聯的任務。生產線設備都和企業局域網相聯，對于有網卡的數控設備直接設置IP地址和網絡接入ProfiNET，其他接口設備必須通過可靠的通信協議轉換為ProfiNET協議，在工業總線通信協議的規范下，完成實時通信業務。

2.3 軟件系統

軟件系統是實現數據存儲、查詢和與用戶進行功能反饋的渠道。通常，軟件系統包含數據系統管理、數據系統交互（如數據庫通信）等功能，同時，提供相應接口驅動，如RJ45、藍牙等，完成對設備的數據采集功能。

同時，由于生產線需求的特殊性，軟件系統還應具備工單下發、工藝配方修改，以及G代碼等數控程序的修改功能，從而實現便捷的在線調試與作業軟件更新。

2.4 總體網絡拓撲圖

根據總體架構設計將整個系統分為3個層次，L1層包含4個區域生產線設備，生產線設備只通過區域主站PLC，遵循ProfiNET通信協議向L2層級發送數據;L2層接收L1層的信息存儲入數據庫，并將信息上傳至L3層供遠程監視;L3層接收L2層的信息監視L1層設備運行狀況，并將信息分別在本地和云端進行存儲。總體網絡拓撲如圖1所示。

3 數據統計分析方案

對于實施的統計分析模塊分為4個標簽頁面，主要有首頁、設備日志、統計圖表、對比分析功能。以下就4個頁面的功能分別介紹如下：

3.1 首頁功能

首頁分為布局圖與狀況圖這兩大顯示頁面，左側功能區為企業的設備列表。布局圖顯示的是當前設備的實時狀態，該部分功能將繼承監測采集模塊電子地圖的實時功能。狀況圖顯示的是該設備在當前的24h內的工況分布。

在統計分析這塊，著重考慮的是設備應用狀況的統計分析。采集回的信息都將記錄進數據庫，供日后其他系統調用。

統計分析模塊中的設備布局圖是供各個管理部門直接查看的，它與監測采集模塊的狀態信息保持一致，但該模塊無需再單獨配置，即可繼承采集模塊的信息，適合多人同時瀏覽。

3.2 設備日志功能

Logger功能是一般數據系統常用功能，用于記錄設備的運行情況，對后期設備的運維提供相關數據支撐。功能區是時間選取功能和該時間段的柱狀分布圖。通過幾項日志的查看可以詳細了解每一天該設備的各項運行狀態所發生的時間點，對于后期的生產管理追溯和設備管理追溯都有著重要的意義。

3.3 統計圖表功能

“統計圖表”標簽頁則是針對設備的詳盡圖表顯示，通過該模塊可以詳盡地了解到各個設備的工作狀態分布，通過直觀的餅狀圖和直方圖顯示。可以針對設備的開動率、運行率、有效利用率分別顯示。

4 L2與上級系統通信構架

4.1 設計準則

一般來說，通信系統的設計準則需要滿足時效性與安全性，也就是說，在一定的通信負載的條件下，要滿足相應傳輸的速率。這里采用以太網進行數據傳輸，一般來說可以達到相應的速率需求，但是，由于生產線設備的特殊性，存在不支持以太網接口的設備出現，那么在傳輸時效性準則下，需要合力安排需要采集數據的種類，并進行相應的數據壓縮，降低數據通信負載。

安全性也是通信的關鍵要求之一，針對生產設備的攻擊時有發生，特別是針對關鍵過程控制和核能發電控制設備的攻擊一旦成功，則會對數據完整性與真實性造成損害，更有甚者，會造成重大安全事故。所以，針對通信安全性考慮也必須在通信構架設計之初就予以考慮，如采用OPC-UA等方式，實現以用戶接入為導向的數據通信安全。

針對自動化控制的特殊性，需要在滿足安全和時效性的同時實現可靠控制，這就需要通信硬件和軟件保證一定的可靠性冗余，同時，需要滿足硬，實時控制，也就是說需要在控制任務的截止期之前完成有效控制，采用ProfiNET等工業總線通信協議，實現相應設備的可靠控制。

4.2 詳細設計技術方案

針對工業控制設備需求和現實操作需求，依據之前確定的通信需求和通信準則，在業務邏輯上進行精確區分，兼顧通信需求與業務功能需求，區分數據層和功能層，設計友好的HMI，便于用戶使用，同時采用扁平化的系統構架，壓縮用戶之間的通信時間，打通PLC工業控制網絡與車間及MES系統之間的通信。同時根據不同的網絡需求，對不同網絡協議的數據實現協議的解碼，進而完成網絡間的數據解包與打包，實現不同網絡之間的智能網關功能。其次，要完成不同通信系統間的業務映射，實現企業級ERP與MES之間的訂單下發、員工管理、報表下發等，同時通過5G等無線通信技術，實現對設備運行轉臺、故障信息的遠程監控，在客戶端采用B/S或C/S構架，通過授權方式，實現企業、設計和用戶數據的安全。

4.3 項目實施難點

目前，隨著信息技術的逐步發展與深入，自動化、信息化、智能化深度融合需求日益凸顯。然而，由于一般自動化行業服務的產業鏈模塊、人員技能、培訓范圍和公司運營成本等因素制約，反而在自動化行業內部實現信息化、智能化改造困難重重。這也導致了大型重資產、長周期運行的一般自動化行業亟需信息化改造需求與信息化實現之間的矛盾。同時，相對于IT技術，自動化技術往往更新換代速率較慢，在IT領域已經普遍使用的若干新興技術無法順利地嫁接至自動化企業中，同時由于IT行業自身運營模式的區別和人員技術類型的差異，在無法深入了解自動化緊密相關的工藝、設備信息時，很難貼合實際需求實現信息化與自動化的無縫對接，自動化設備的信息化改造仍然存在“兩張皮”的實際情況。

此外，在項目的具體實施中，由于長期以實際設備為主體的自動化生產模式，導致公司對設備信息化實現的難度與復雜程度沒有較好的預期，在項目的方案制定階段并未將信息化作為必要的一環融入項目方案設計，導致相關自動化設備選型不滿足信息化需求，數據采集設備選型和安裝工藝不到位，項目人員無法支持相應信息化項目的開發等問題，甚至，由于初始設計的缺失，在車間出現根本不具備信息化網絡搭建的現象出現。這些問題的出現，對項目的順利實施帶來了極大的阻礙。

5 結語

自動化設備的信息化賦能，絕不是“亡羊補牢，為時未晚”，而應做到“未雨綢繆，防患未然”。信息化設計必須伴隨設備自動化設計全過程，在控制方案、設備選型、人員配置、項目推進、現場調試等階段貫穿信息化設計的思路，同時結合設備本身的差別，選取合適的自動化設備的信息化接口，并開發相應的工業現場總線智能網關，針對生產線上不同設備實現串口、工業以太網的兼容。

參考文獻

[1] 傅建中.智能制造裝備的發展現狀與趨勢[J].機電工程，2014（8）：7-10.

[2] 黃豐云，莫易敏，李艷，等.車輛輪對檢修生產線信息化改造與控制系統設計[J].鐵道車輛，2005，43（6）：34-36.

[3] 紀靜迪，黃克震，孫玲.基于現場總線的數據采集和監測裝置設計[J].船海工程，2011，40（5）：76-78.

[4] 張家波，舒忠玲，柏宏君.以太網現場總線實時監控系統應用技術[J].電工技術，2003（5）：30-32.

[5] 陳波.總線型工業數據動態監測系統的設計與實現[J].電子與儀表技術，1994（4）：21-25，30.