基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)設(shè)計與實踐

韋留坤

（約克廣州空調(diào)冷凍設(shè)備有限公司， 廣東 清遠 511685）

所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是將工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各種設(shè)備連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)設(shè)備之間的信息交換。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)上人與人的交流擴展到人與機器、機器與機器之間的交流，通過將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入工業(yè)機械設(shè)備，釋放生產(chǎn)設(shè)備的全部潛力，從而提高生產(chǎn)力[1]。由于當(dāng)前空調(diào)生產(chǎn)線的質(zhì)量控制不穩(wěn)定，材料和設(shè)備利用率低，生產(chǎn)數(shù)字化管理水平不高，而空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)的應(yīng)用能有力推動空調(diào)生產(chǎn)自動化水平的提升?；诖耍疚慕Y(jié)合空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線智能控制要求，提出基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 需求分析

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)設(shè)備占用空間較大，設(shè)備分布零散，屬于分布式加工系統(tǒng)，因此，空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線控制需求主要包括以下幾點。

1.1 安全生產(chǎn)需求

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線是一種高溫、高速的連續(xù)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)一個翅片僅需20 s，因此，在設(shè)計中控系統(tǒng)時需要高度重視生產(chǎn)線的安全控制[2]。通過中控系統(tǒng)實時準(zhǔn)確地了解生產(chǎn)線的當(dāng)前狀態(tài)，隨時掌握生產(chǎn)線的運行安全狀況，從而確保生產(chǎn)安全。

1.2 故障排查需求

空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)過程常出現(xiàn)兩類故障，一是可修復(fù)故障。如果風(fēng)冷時間過長，板材沖壓溫度不足，在運輸過程中會形成疊料，影響生產(chǎn)線的連續(xù)生產(chǎn)。另一個是嚴重故障。例如，機械手與加熱爐發(fā)生碰撞，機械手動作異常等，此類故障一旦發(fā)生，生產(chǎn)線將被迫停機檢修。因此，需要通過中控系統(tǒng)檢測是生產(chǎn)線運行情況，及時發(fā)現(xiàn)故障，重現(xiàn)故障發(fā)生過程，從而快速查明故障原因[3]。

1.3 穩(wěn)定生產(chǎn)需求

生產(chǎn)設(shè)備運行不穩(wěn)定可能會導(dǎo)致產(chǎn)品制造缺陷和生產(chǎn)線停機。為了提高生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，需要中控系統(tǒng)檢測設(shè)備運行狀態(tài)，如果設(shè)備出現(xiàn)問題能夠第一時間掌握現(xiàn)場情況。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

本次設(shè)計的中控系統(tǒng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行生產(chǎn)設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)對生產(chǎn)線各設(shè)備的實時監(jiān)控，運行參數(shù)采集分析、生產(chǎn)流程管理。從多個角度、多個層面掌握空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)車間的生產(chǎn)過程，從而構(gòu)建比較完善的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控平臺。

2.2 系統(tǒng)模塊

如圖1 所示，該系統(tǒng)主要包括設(shè)備數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)管理（DCS）、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（PMS）、生產(chǎn)決策系統(tǒng)構(gòu)成[4]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 主要負責(zé)采集、處理、管理生產(chǎn)線的相關(guān)數(shù)據(jù)，如各種設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)、任務(wù)進度、實時工況等，同時為PMS、DVS 等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 主要扶著生產(chǎn)車間計劃制定和維護、生產(chǎn)任務(wù)安排，生產(chǎn)資料配置、物料庫存管理等，可以對空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線進行全程精細化管理，實現(xiàn)歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可追溯。生產(chǎn)決策和優(yōu)化系統(tǒng)DVS 提供全部空調(diào)生產(chǎn)流程的實時監(jiān)控，同時可以實現(xiàn)異常狀態(tài)自動告警，監(jiān)控設(shè)備的實時執(zhí)行狀態(tài)[5]。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

本次設(shè)計的空調(diào)生產(chǎn)線中控系統(tǒng)架構(gòu)可分為三層，即設(shè)備層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層。其中設(shè)備層基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的所有設(shè)備聯(lián)為一體。業(yè)務(wù)層，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 實時采集和管理空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用層則主要通過PMS 系統(tǒng)制定生產(chǎn)計劃，分配生產(chǎn)任務(wù)，同時負責(zé)質(zhì)量檢驗、倉儲管理等業(yè)務(wù)管理，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責(zé)采集關(guān)于空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)的各種數(shù)據(jù)采集并保存在數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)由消息中間件向中控系統(tǒng)中的其他子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 系統(tǒng)將關(guān)于生產(chǎn)、質(zhì)量控制方面的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)決策和優(yōu)化系統(tǒng)DVS 經(jīng)由消息中間件以及HTTP 接口獲得數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DCS 設(shè)計

3.1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以為空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的各種設(shè)備提供通信網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備之間能夠相互通信，方便中控系統(tǒng)遠程采集設(shè)備數(shù)據(jù)，常用的數(shù)據(jù)采集手段包括以下幾方面。

1）Windows 句柄采集：該技術(shù)適合用在無數(shù)據(jù)庫接口的場景，通過Windows 句柄編號可以分層搜索和采集數(shù)據(jù)。

2）外接硬件采集：該采集技術(shù)適合用于采集比較老舊的生產(chǎn)設(shè)備，如三色燈設(shè)備，可以在設(shè)備三色燈線24 V/220 V 接入I/O 采集硬件設(shè)備，從而采集和分析設(shè)備的使用情況以及報警信息。

3）ODBC 協(xié)議采集：借助ODBC 數(shù)據(jù)庫驅(qū)動可實現(xiàn)業(yè)務(wù)表數(shù)據(jù)字段的采集。

4）標(biāo)準(zhǔn)工控協(xié)議采集技術(shù)：對于配備了PLC、HMI的生產(chǎn)設(shè)備，可以基于UA、Profinet 等標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)可攻至協(xié)議采集分析對應(yīng)的點表和數(shù)據(jù)地址。

3.1.2 采集數(shù)據(jù)管理

在空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集后分類存儲保存在數(shù)據(jù)庫中，形成與生產(chǎn)流程對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)主要有空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)檢數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)通過Socket 等方式獲取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理后存入數(shù)據(jù)庫，中控系統(tǒng)可以基于需要隨時調(diào)取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。

3.2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS 設(shè)計

該子系統(tǒng)基于空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的投入產(chǎn)出、生產(chǎn)狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)管理，系統(tǒng)的基本功能是生產(chǎn)計劃制定，生產(chǎn)任務(wù)的分配，生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度、生產(chǎn)資源配置與等。

1）生產(chǎn)物料管理：提供物料編碼、庫存管理和轉(zhuǎn)移功能的現(xiàn)場管理。維護基礎(chǔ)信息：管理生產(chǎn)現(xiàn)場組織、人員、產(chǎn)品技術(shù)、材料等基礎(chǔ)信息，為質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)等模塊作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

2）生產(chǎn)計劃管理：制定、下發(fā)生產(chǎn)計劃，分配生產(chǎn)任務(wù)，安排生產(chǎn)人員，確定生產(chǎn)日期和完工日期。

3）生產(chǎn)質(zhì)量管理：提供產(chǎn)品質(zhì)量檢驗任務(wù)、任務(wù)分配和檢驗結(jié)果記錄的管理，并為產(chǎn)品質(zhì)量分析提供必要的數(shù)據(jù)。

4）系統(tǒng)維護：提供生產(chǎn)管理系統(tǒng)用戶、角色、權(quán)限、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)日志等信息的維護，為系統(tǒng)運維提供基礎(chǔ)保障。

5）生產(chǎn)設(shè)備維護：主要功能為生產(chǎn)設(shè)備的維保、點檢數(shù)據(jù)采集、存儲以及分析處理。

3.3 生產(chǎn)決策與優(yōu)化系統(tǒng)DVS 設(shè)計

現(xiàn)階段，大部分空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)線都缺乏可視化工具，即使有，其可視化數(shù)據(jù)是不完整和零散的，生產(chǎn)線技術(shù)人員主要依靠紙質(zhì)文件和人腦記憶來完成整個生產(chǎn)過程。生產(chǎn)人員無法全面掌握當(dāng)前生產(chǎn)作業(yè)所需的設(shè)備和原材料，生產(chǎn)車間主任也無法隨時掌握當(dāng)前的生產(chǎn)進度、生產(chǎn)和質(zhì)量狀況等數(shù)據(jù)[6]。因此，需要在生產(chǎn)決策與優(yōu)化系統(tǒng)DVS 中集成可視化工具，可視化數(shù)據(jù)根據(jù)PMS 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的設(shè)計分為5 個模塊，系統(tǒng)為各模塊分別配備屏幕監(jiān)視器，同時配備整合各模塊的整體屏幕監(jiān)視器，這對于監(jiān)控空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)、庫存、質(zhì)量檢驗等相關(guān)數(shù)據(jù)有很大幫助，圖3 為可視化工具系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。

4 系統(tǒng)集成設(shè)計

以生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)中心為核心，通過API 接口鏈接的空調(diào)翅片沖壓生產(chǎn)線中控系統(tǒng)集成了DCS、PMS、DVS 等模塊，各模塊之間基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)中心分為時序數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。前者主要存儲實時采集數(shù)據(jù)，后者主要存儲生產(chǎn)計劃執(zhí)行數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用基于MQTT 協(xié)議的EMCX 消息中間件，實現(xiàn)不同模塊之間的數(shù)據(jù)交互和集成，模塊之間的接口通過HTTP 協(xié)議的RestFul 接口實現(xiàn)，如系統(tǒng)中生產(chǎn)人員基本信息HTTP 接口[7]。

1）定義。UserPkResultqueryUserPk（StringuserId）。

2）參數(shù)說明。UserId 參數(shù)代表員工的工作編號或唯一標(biāo)識符。

3）返回的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該程序編碼為：用戶PK 結(jié)果：{

字符串UserPk；//個人主鍵

字符串返回碼；//參考返回碼說明

字符串消息；//錯誤信息

}

5 結(jié)語

有效利用空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線中控系統(tǒng)可以大大提高空調(diào)制造行業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，減少生產(chǎn)人員的工作負擔(dān)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確控制和全過程控制。空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)線中控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用應(yīng)結(jié)合空調(diào)制造行業(yè)的實際情況。在原有自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)上合理設(shè)計和部署中控系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)控制生產(chǎn)過程，減少生產(chǎn)安全事故的發(fā)生，促進空調(diào)制造行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。