數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與智能管理探析

羅書明

（寧波芯健半導(dǎo)體有限公司 浙江 寧波 315327）

0 引言

新經(jīng)濟常態(tài)下，制造業(yè)迅速發(fā)展，不斷地向著現(xiàn)代化、數(shù)字化與信息化的方向發(fā)展。對于制造企業(yè)而言，數(shù)字化車間建立是重點，除了能夠?qū)囬g制造數(shù)據(jù)信息進行實時收集之外，還能夠智能化管理整個生產(chǎn)制造過程。對現(xiàn)階段數(shù)字化車間生產(chǎn)狀況進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集與智能管理為了能夠達到預(yù)期，雖然在思想上得以有效轉(zhuǎn)變，然而具體工作中依然存在各種不足之處[1]。對此，以數(shù)字化車間為基礎(chǔ)，構(gòu)建采集與智能管理系統(tǒng)尤為必要。

1 數(shù)字化車間概述

數(shù)字化車間，指的是將產(chǎn)品整體生命期等數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并借助計算機技術(shù)，構(gòu)建虛擬工作環(huán)境，仿真、評估與優(yōu)化具體生產(chǎn)過程的相關(guān)操作，是一種較為新穎的生產(chǎn)方式[1]。在制造生產(chǎn)時采用數(shù)字化車間，除了能夠結(jié)合虛擬環(huán)境對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行模擬之外，還能夠保證生產(chǎn)質(zhì)量安全。

2 車間數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)采用的物聯(lián)技術(shù)

2.1 車間數(shù)據(jù)采集分析

通過自動化設(shè)備開展數(shù)據(jù)采集工作。利用條碼讀寫器、嵌入式采集終端、射頻識別（RFID）讀寫器以及光電磁、溫度等相關(guān)技術(shù)，對信息載體進行自動識別，然后再運用系統(tǒng)內(nèi)部解析系統(tǒng)，把得到的數(shù)據(jù)向指定位置進行傳輸。此過程中，條碼讀寫器主要在成本管理中予以運用，由于條碼屬于唯一的，明確之后，那么成品內(nèi)部的全部信息也隨之確定，所以存儲動態(tài)的制造過程數(shù)據(jù)時，通常不會采取條碼的方式，而是貼在產(chǎn)品外包裝上，進而自動識別箱內(nèi)物料。就RFID標(biāo)簽而言，涉及容量大、存儲數(shù)字信息多元化的特點，所以RFID讀寫器在動態(tài)與靜態(tài)數(shù)據(jù)的讀寫方面最為適用。隨著數(shù)控伺服系統(tǒng)的不斷發(fā)展，操作人員能夠通過設(shè)備終端接口對相關(guān)數(shù)據(jù)進行獲取。數(shù)控機床、可編程邏輯控制器（PLC）以及加工機器人等，屬于最為常見的設(shè)備終端。利用分布式組件對象模型（DCOM）技術(shù)和OLE for Process Control（OPC）標(biāo)準(zhǔn)，可以構(gòu)建相互操作的控制系統(tǒng)。通過OPC接口與有關(guān)軟件配置，然后再運用上位機就能夠?qū)崟r對機床數(shù)據(jù)進行采集。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)

自動識別技術(shù)屬于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的主要方式，涉及卡識別、射頻識別、光信號識別以及條碼識別。對于以上識別技術(shù)而言，RFID表現(xiàn)為整合無線通信、計算機以及網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)。和其他技術(shù)相比，RFID技術(shù)包含許多優(yōu)點：（1）識別精確度高，可以迅速對識別對象予以精準(zhǔn)識別；（2）無線射頻技術(shù)不依賴光源，可以直接透過外部材料識別相關(guān)數(shù)據(jù)；（3）能夠嵌入到不同形式和類型的產(chǎn)品中，實時跟蹤包含RFID標(biāo)簽的產(chǎn)品，并定位；（4）可以對多個物體進行同時識別，且信息碰撞與干擾的解決方式較為靈活；（5）存在信息存儲量大的特點，可以存儲與識別各類動態(tài)數(shù)據(jù)。所以，在物聯(lián)網(wǎng)中RFID射頻識別技術(shù)發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用，屬于物聯(lián)網(wǎng)順利實現(xiàn)的核心技術(shù)。

3 數(shù)字車間智能管理技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字車間物聯(lián)網(wǎng)基本體系見圖1。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，傳感器與射頻識別技術(shù)較為常見。制造企業(yè)積極引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，各車間之間能夠互聯(lián)互通，實時自動采集監(jiān)控對象信息。同時，企業(yè)引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建職能網(wǎng)絡(luò)，針對不同類型的數(shù)據(jù)能夠迅速、安全地傳輸與處理，且對數(shù)控設(shè)備、生產(chǎn)計劃、工藝流程等形成的數(shù)據(jù)進行有效管理，為車間制造管理給予可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[2]。另外，立足于互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可全方位感知整個制造過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并實時傳輸與運用，集成各種數(shù)據(jù)，并同相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)連接與共享，全方位管理與控制產(chǎn)品整個生命過程。

4 現(xiàn)階段企業(yè)制造車間生產(chǎn)情況

近年來，制造企業(yè)在發(fā)展過程中，生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)與管理能力等均實現(xiàn)較好的提升。對此，企業(yè)要想在市場競爭中占據(jù)更加有利的位置，就需要提高生產(chǎn)車間投資。同時，隨著Enterprise Resource Planning（ERP）和Manufacturing Execution System（MES）等相關(guān)信息管理系統(tǒng)的普及，車間在生產(chǎn)方面的信息需求量逐漸升高。為了能夠?qū)囬g生產(chǎn)過程實現(xiàn)全面管控，需確保制造階段數(shù)控設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r采集與傳遞，達到智能管理目標(biāo)。但是，通過分析現(xiàn)階段制造企業(yè)運轉(zhuǎn)狀況可知，其主要涉及以下問題：（1）缺乏統(tǒng)一管理。當(dāng)前，只有少部分機床擁有通信功能，且便于員工采集各類數(shù)據(jù)，而大部分?jǐn)?shù)控設(shè)備不存在此功能，除了無法和計算機系統(tǒng)進行連接之外，還會對加工生產(chǎn)工作監(jiān)管效率產(chǎn)生影響；（2）未統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)。要想推動制造企業(yè)向著數(shù)字化以及現(xiàn)代化的方向進行發(fā)展，應(yīng)促進數(shù)據(jù)采集水平的提高，保證車間涉及的各類設(shè)備能夠在聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)下收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息。但現(xiàn)階段機器設(shè)備只有串口服務(wù)器采集數(shù)據(jù)功能，成本較高，具體操作不靈活；（3）難以監(jiān)管設(shè)備狀態(tài)。在工作狀態(tài)中，員工難以對數(shù)控機床信息數(shù)據(jù)進行及時的掌控，諸如故障和加工質(zhì)量等，這樣除了難以提高設(shè)備工作效率之外，還會對產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量造成影響。

5 數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析及管理需求

5.1 數(shù)據(jù)分析

對現(xiàn)階段制造企業(yè)車間工作狀況進行分析能夠發(fā)現(xiàn)，因為涉及許多數(shù)據(jù)類型，使得采集方式會存在一定的差異，并且需要分類采集和管理數(shù)據(jù)。通常情況下，車間制造數(shù)據(jù)包含以下幾類：（1）靜態(tài)。靜態(tài)數(shù)據(jù)一般不會出現(xiàn)變化，諸如物料信息、產(chǎn)品名稱、人員信息等；（2）動態(tài)。動態(tài)數(shù)據(jù)會在制造過程中出現(xiàn)改變，需要及時進行采集，諸如加工狀況和計劃進度等；（3）中間。中間數(shù)據(jù)表現(xiàn)為處理以上兩種數(shù)據(jù)之后得到的數(shù)據(jù)，為接下來的制造工作提供可靠數(shù)據(jù)。

5.2 管理需求

對制造企業(yè)發(fā)展目標(biāo)進行深入了解與掌握現(xiàn)場生產(chǎn)所需后，智能管理系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€數(shù)控設(shè)備實際運行情況進行全過程、全方位控制，同時增強對加工過程數(shù)據(jù)的收集，并能夠共享企業(yè)資源計劃系統(tǒng)[3]。通常情況下，管理系統(tǒng)功能應(yīng)基本如下幾點：（1）計算機平臺能夠順利地連接車間數(shù)控設(shè)備，可有效提高數(shù)控設(shè)備管理效率及質(zhì)量；（2）對數(shù)控設(shè)備相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進行實時采集，如開關(guān)機、故障信息、報警等；（3）對數(shù)控機床運行狀況進行監(jiān)管，保證車間生產(chǎn)工作能夠穩(wěn)定、高效的運轉(zhuǎn)；（4）對數(shù)控機床控制相關(guān)數(shù)據(jù)信息進行全面統(tǒng)計，保障管理者可研究出更科學(xué)、更合理的決策；（5）若數(shù)控設(shè)備發(fā)出警告，需要通過系統(tǒng)對故障位置、類型、次數(shù)、時間等相關(guān)信息進行研究，并迅速把有價值的數(shù)據(jù)信息傳遞給管理者，保證他們能夠及時制定處理措施。

6 制造過程數(shù)據(jù)采集與智能管理系統(tǒng)設(shè)計

6.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

通過分析數(shù)字化車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)，精心設(shè)計現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)系統(tǒng)的主要架構(gòu)。對于此系統(tǒng)架構(gòu)而言，由車間層、數(shù)據(jù)層、管理層構(gòu)成。其中，車間層主要對車間生產(chǎn)現(xiàn)場所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行廣泛采集與傳輸，相關(guān)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括傳感器、RFID、加工設(shè)備等；數(shù)據(jù)層作用在于整合集成車間生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集成指的是對數(shù)據(jù)開展關(guān)聯(lián)運算、統(tǒng)一建模、標(biāo)準(zhǔn)化封裝等程序處理，然后結(jié)合數(shù)據(jù)特點與用途予以存儲，與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)；管理層的作用表現(xiàn)為結(jié)合車間生產(chǎn)實際需求，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并采取合理的分析方式，以便于管理層、決策人員做出正確的決策。

6.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在軟件結(jié)構(gòu)方面涉及C/S（Client/Server）與B/S（Browser/Server）兩個方面。

首先，C/S架構(gòu)。指的是客戶端/服務(wù)器的一種架構(gòu)模式，需立足于正確的設(shè)計，通過客戶端軟件本地處理用戶業(yè)務(wù)邏輯、圖像畫面等。針對客戶端來講，為了能夠順利地給予訪問支持，也可迅速交換數(shù)據(jù)，可在服務(wù)器與客戶端中引入TCP/IP協(xié)議的Socket接口連接作為基礎(chǔ)，在這一服務(wù)軟件中用戶能夠同其他客戶端進行數(shù)據(jù)交換[4]。一般狀況下，為了能夠同時管理、存儲與共享多個客戶端的數(shù)據(jù)，服務(wù)器軟件應(yīng)和數(shù)據(jù)庫之間配合。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點表現(xiàn)為能夠在本地運行主要業(yè)務(wù)，可減少額外通信相關(guān)支出，且可高效率響應(yīng)。所以，客戶端應(yīng)設(shè)計多樣化界面及多種功能任務(wù)。缺陷則是用戶同服務(wù)器交換數(shù)據(jù)時，需安裝客戶端軟件，對于客戶端硬件有一定要求，系統(tǒng)維護不便，若服務(wù)器新增功能，則及時更新客戶端，促使其能夠積極適應(yīng)服務(wù)端的各種變化。

其次，B/S架構(gòu)。此架構(gòu)為瀏覽器/服務(wù)器形式。對于該架構(gòu)形式而言，指的是將信息技術(shù)作為基礎(chǔ)，優(yōu)化傳統(tǒng)C/S架構(gòu)之后所形成的一種形式，特征表現(xiàn)在用戶可借助互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器能在服務(wù)器端上獲取交互界面，且在本地瀏覽器中更新UI界面及一些事物邏輯，服務(wù)器端則能夠?qū)χ攸c事物邏輯進行重點處理，處理后將新交互界面迅速傳輸?shù)接脩舳耍M而構(gòu)建起MVC（Model-View-Controller）結(jié)構(gòu)，然后在運用各種腳本語言與瀏覽器容器中，可借助服務(wù)器對用戶業(yè)務(wù)進行迅速處理。就本地硬件和復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯而言，能夠利用Active X控制達到交互工作的目標(biāo)。和C/S架構(gòu)相比之下，這屬于一種全新的軟件結(jié)構(gòu)，客戶不必對客戶端軟件進行安裝，運用瀏覽器就可以完成軟件才可以實現(xiàn)的功能，積極迎合了社會大眾的需求。如果改變了瀏覽器各種應(yīng)用，也不會影響用戶，使得用戶感知度得到了提高。

6.3 智能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過分析現(xiàn)階段數(shù)字化車間在生產(chǎn)方面的狀況能夠了解到，每臺數(shù)控機床均會在網(wǎng)絡(luò)布線中設(shè)計RJ45網(wǎng)口。對于不同類型的機床設(shè)備而言，能夠選擇的信息采集方式主要涉及電氣電路信號、串口宏指令、DNC網(wǎng)口，最終在交換機的引導(dǎo)下，順利傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器層。作為系統(tǒng)在運行過程中的重點，數(shù)據(jù)管理服務(wù)器除了能夠和機床、采集器等實現(xiàn)實時交互之外，還能夠開展數(shù)據(jù)處理和存儲等相關(guān)工作。此過程中，數(shù)據(jù)服務(wù)器與車間設(shè)備對信息進行傳遞時，會將Modbus協(xié)議作為基礎(chǔ)進行操作。

另外，客戶端軟件應(yīng)向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提出請求，進而實時管控數(shù)控設(shè)備的工作狀況，并對不同階段的數(shù)據(jù)信息進行查閱，并管控企業(yè)系統(tǒng)、機床設(shè)備、員工的信息，以及修改、刪除、調(diào)查機床基本數(shù)據(jù)。此軟件需要將Web Socket服務(wù)器包含的各類網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基礎(chǔ)，對車間層的數(shù)據(jù)進行獲取之后，向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行傳輸，進而達到實時監(jiān)管的目的。同時，智能管理系統(tǒng)也涉及Internet 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，相關(guān)管理工作人員能夠憑借對應(yīng)的用戶名以及密碼，登錄系統(tǒng)內(nèi)部，這樣除了能夠?qū)?shù)控機床設(shè)備運行狀況進行及時了解之外，還能夠順利找出潛在安全問題。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，與軟件系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的模式逐漸增多，諸如前文提到的，C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)，這兩種架構(gòu)屬于現(xiàn)階段市場中運用最為廣泛的類型，除了具備各自的優(yōu)勢之外，應(yīng)用價值也極高。因此，對數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場智能管理系統(tǒng)進行設(shè)計的過程中，需要將開發(fā)維護、硬件投資、企業(yè)后續(xù)發(fā)展等相關(guān)方面作為立足點，運用優(yōu)勢更強的B/S架構(gòu)，實現(xiàn)對瀏覽器的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對處理之后的數(shù)據(jù)信息進行實時呈現(xiàn)，保證企業(yè)管理工作人員能夠提出準(zhǔn)確且完善的發(fā)展決策。

6.4 車間異構(gòu)數(shù)據(jù)采集方案硬件設(shè)計

為了能夠妥善處理車間生產(chǎn)現(xiàn)場異構(gòu)數(shù)據(jù)采集這一典型問題，需結(jié)合生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)種類，運用自動識別技術(shù)和傳感器技術(shù)、加工設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對生產(chǎn)現(xiàn)場所產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)進行全面采集。（1）自動識別技術(shù)。對于此技術(shù)而言，主要涉及RFID技術(shù)和條形碼技術(shù)等，引入這兩種技術(shù)能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計有關(guān)數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確識別，如物料采集、人員信息、設(shè)備信息等；（2）傳感器技術(shù)。車間生產(chǎn)時，外部環(huán)境對產(chǎn)品質(zhì)量的影響較為明顯，傳感器技術(shù)可基于以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務(wù)器進行連接，實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并監(jiān)控車間情況，重點采集生產(chǎn)過程的溫度、濕度、電磁等；（3）加工設(shè)備聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。基于車間具體狀況，能夠?qū)⒓庸ぴO(shè)備劃分成數(shù)控機床和其他設(shè)備。現(xiàn)階段，數(shù)控機床傳輸接口包含無通訊接口、串行口與網(wǎng)口。其他設(shè)備主要為熱處理設(shè)備、測試設(shè)備等，傳輸接口以RS-232-RJ45為主，可對生產(chǎn)現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)進行全面采集。

6.5 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計

對于數(shù)字化車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，其物理架構(gòu)設(shè)計中的每個車間均包含制造工作站、庫房等相關(guān)結(jié)構(gòu)，不同單元硬件設(shè)備可借助工業(yè)以太網(wǎng)連接方式，逐漸形成車間局域網(wǎng)，然后再和交換機連接，最終連接到公司主干網(wǎng)絡(luò)中[5]。同時，構(gòu)建通信鏈路讓車間層能夠訪問上層ERP服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集器、CAPP/PDM數(shù)據(jù)服務(wù)器。此過程中，中間件提交的EPC碼解析主要由ONS服務(wù)器進行負(fù)責(zé)，這同互聯(lián)網(wǎng)域名解析DNS服務(wù)比較相似。針對RFID系統(tǒng)來講，ONS服務(wù)器可以通過發(fā)布指令的方式，讓中間件訪問企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器，這一服務(wù)器充分體現(xiàn)了RFID中間件產(chǎn)品存儲的有關(guān)信息。借助ONS服務(wù)器能夠借助開環(huán)應(yīng)用系統(tǒng)對外協(xié)件信息進行查詢。對于數(shù)字化車間管理系統(tǒng)而言，工作的下機位發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，不僅能夠為各用戶提供所需頁面，同時受理用戶請求并顯示提交結(jié)果之外，還屬于軟件中間件的載體，肩負(fù)著基于用戶指令迅速發(fā)出控制底層硬件設(shè)備的命名，并同底層設(shè)備相連接，向上層數(shù)據(jù)處理器及時反饋結(jié)果。利用車間的無線網(wǎng)絡(luò)，用戶可以隨時運用移動終端設(shè)備對企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進行訪問。并且，用戶利用手機APP軟件，也能夠憑借4G網(wǎng)絡(luò)等，和管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集器等進行連接，便于用戶采集車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對車間生產(chǎn)情況進行全面掌控。

7 結(jié)語

綜上所述，基于制造企業(yè)車間生產(chǎn)現(xiàn)場所產(chǎn)生的各種問題，可采取建立數(shù)據(jù)采集和智能管理系統(tǒng)架構(gòu)的方式，不僅無需受到傳統(tǒng)管理模式的影響，還能夠提高生產(chǎn)加工水平。所以，新時代背景下，制造企業(yè)應(yīng)重點關(guān)注數(shù)字化車間生產(chǎn)工作，結(jié)合大量工作時間，積極引入最新的現(xiàn)代化理念與技術(shù)，進而構(gòu)建起更加適宜的技術(shù)架構(gòu)，有力地促進制造業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。