基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用*

高孝天, 胡 敏, 官永安

[1.上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063;2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

低壓電器作為電力系統(tǒng)基礎(chǔ)元件,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ),現(xiàn)階段行業(yè)內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型生產(chǎn)方式,勞動(dòng)生產(chǎn)率低,產(chǎn)品不良率高,近年來(lái)由于人力成本的上升造成產(chǎn)品利潤(rùn)率明顯下降。同時(shí),低壓電器是量大、面廣的電力系統(tǒng)基礎(chǔ)元件,行業(yè)傳統(tǒng)制造模式在產(chǎn)品迭代速度、一致性、可靠性等方面無(wú)法滿足“雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)建設(shè)中復(fù)雜多變的市場(chǎng)要求[1],中高端產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著國(guó)家“制造強(qiáng)國(guó)”等戰(zhàn)略的深入推進(jìn),低壓電器行業(yè)部分企業(yè)開(kāi)展了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索,但限于技術(shù)、投入等方面的因素,行業(yè)內(nèi)大部分智能工廠/數(shù)字化車間項(xiàng)目仍以生產(chǎn)裝備的自動(dòng)化為主,其上的執(zhí)行層與管理層信息系統(tǒng)作為輔助,未能真正應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)全流程數(shù)字化、信息化和智能化,企業(yè)生產(chǎn)制造、庫(kù)存、管理等環(huán)節(jié)未能互聯(lián)互通,各系統(tǒng)間形成多個(gè)信息孤島,難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量追溯、預(yù)測(cè)性維護(hù)等新模式的應(yīng)用。

本文將面向行業(yè)數(shù)字化車間建設(shè)過(guò)程中統(tǒng)一信息管理需求,建設(shè)形成輕量級(jí)的數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通、智能分析與統(tǒng)一展示解決方案,并在行業(yè)企業(yè)中完成試點(diǎn)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)下階段低壓電器行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型手段的有效探索。

1 行業(yè)需求分析

1.1 異構(gòu)數(shù)據(jù)采集的需求

數(shù)據(jù)泛在感知是數(shù)字化車間建設(shè)的重要條件,當(dāng)前低壓電器車間自動(dòng)化、信息化水平正快速提升,數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)類型爆炸增長(zhǎng),且廠商分散、協(xié)議眾多。經(jīng)調(diào)研,車間中常用的通信協(xié)議包括各類現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議、OPC/OPC UA、MT Connect、NC-Link等[2]。同時(shí),還包含監(jiān)控視頻信息、時(shí)序數(shù)據(jù)信息等異構(gòu)數(shù)據(jù),傳統(tǒng)方式難以處理。需要實(shí)現(xiàn)信息統(tǒng)一采集、匯聚與管理。

1.2 邊緣計(jì)算的需求

隨著行業(yè)在設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用等全環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)量增加,對(duì)邊緣計(jì)算的需求也相應(yīng)提升。如行業(yè)對(duì)小型斷路器裝配檢測(cè)節(jié)拍普遍小于2 s/極,檢測(cè)參數(shù)超過(guò)10個(gè),涉及5個(gè)以上工位,加上對(duì)產(chǎn)品精細(xì)化追溯、質(zhì)控提升需要,產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),有必要應(yīng)用邊緣計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗與本地化分析,以減輕云平臺(tái)存儲(chǔ)與計(jì)算壓力。

1.3 互聯(lián)互通數(shù)據(jù)增值的需求

在大規(guī)模數(shù)據(jù)采集與邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)互通,挖掘數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)利用潛力是當(dāng)前行業(yè)數(shù)字化車間發(fā)展方向,將在設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、運(yùn)維等多個(gè)方向得到應(yīng)用。以產(chǎn)品質(zhì)量追溯為例,通過(guò)制造參數(shù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、物流信息間的信息集成,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯,并反饋至設(shè)計(jì)、工藝、檢測(cè)等環(huán)節(jié)。同時(shí),未來(lái)定制化生產(chǎn)、供應(yīng)鏈協(xié)同等先進(jìn)制造模式也對(duì)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通提出了更高需求。

1.4 統(tǒng)一信息展示需求

在數(shù)字化車間起步建設(shè)階段,從面向生產(chǎn)人員過(guò)渡的易用性以及對(duì)外展示效果等方面,工廠普遍具有大屏展示需求。而傳統(tǒng)大屏展示方案采用組態(tài)工具構(gòu)建,主要面向工控領(lǐng)域,在生產(chǎn)過(guò)程中存在信息密度低、系統(tǒng)笨重等弊端[3]。因此需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的架構(gòu),提供多樣化、敏捷化的前端開(kāi)發(fā)能力,實(shí)現(xiàn)高效率的信息集成展示[4]。

2 平臺(tái)架構(gòu)

低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)架構(gòu)按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一般層級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)[5],本平臺(tái)開(kāi)發(fā)內(nèi)容主要集中于數(shù)據(jù)接入層、邊緣層與應(yīng)用層中。低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1中,數(shù)據(jù)接入層為實(shí)現(xiàn)工廠多協(xié)議數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、上云;邊緣層為實(shí)現(xiàn)所采集信息的邊緣計(jì)算與分布式存儲(chǔ);IaaS層為租賃第三方云服務(wù),提供云服務(wù)器、存儲(chǔ)、運(yùn)維等能力;PaaS層為以開(kāi)源解決方案為基礎(chǔ),定制結(jié)合行業(yè)需求的低代碼開(kāi)發(fā)、機(jī)理模型庫(kù)等工具化能力;SaaS層為構(gòu)建工廠統(tǒng)一信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、研發(fā)、能效、設(shè)備、質(zhì)量的統(tǒng)一管理與展示。

3 關(guān)鍵建設(shè)內(nèi)容

基于行業(yè)發(fā)展需求,設(shè)計(jì)并完成了低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)的具體功能開(kāi)發(fā),主要分解為4個(gè)主要模塊。

3.1 低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口模塊

面向行業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)采集接入需求,開(kāi)發(fā)低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口模塊,主要內(nèi)容包括:

(1) 梳理不同廠家設(shè)備的通信協(xié)議要求,開(kāi)發(fā)大范圍、深層次的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換中間件。實(shí)現(xiàn)各設(shè)備間通過(guò)Modbus-TCP、DeviceNet等現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議的兼容集成,實(shí)現(xiàn)不同制造功能、定制化程度高、通信協(xié)議復(fù)雜設(shè)備的同時(shí)接入,保障各類設(shè)備信息穩(wěn)定傳輸。

(2) 針對(duì)目前生產(chǎn)設(shè)備主流采用的OPC協(xié)議,建立OPC Server,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向外部系統(tǒng)的統(tǒng)一傳送。所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件可靈活配置各PLC設(shè)備的設(shè)置信息,并添加對(duì)應(yīng)PLC設(shè)備的傳感器或寄存器。

(3) 通過(guò)中間件、共享數(shù)據(jù)庫(kù)等模式結(jié)合,實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備、系統(tǒng)向統(tǒng)一信息管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳送。

在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上,針對(duì)平臺(tái)在低壓電器車間應(yīng)用的需求,項(xiàng)目基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6],歸納整理了低壓電器產(chǎn)線設(shè)備的典型數(shù)據(jù)字段,形成產(chǎn)品制造過(guò)程數(shù)據(jù)字典。

基于標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)字典,實(shí)現(xiàn)了不同品牌型號(hào)設(shè)備同一數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理,支撐后續(xù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的分析、提煉,并在優(yōu)化作業(yè)流程、整合產(chǎn)線資源、提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮積極作用。低壓電器產(chǎn)線數(shù)據(jù)字典(部分示意)如表1所示。

3.2 低壓電器生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)邊緣計(jì)算模塊

開(kāi)發(fā)邊緣計(jì)算模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)于采集數(shù)據(jù)點(diǎn)靈活配置計(jì)算表達(dá)式,并在邊緣側(cè)完成自動(dòng)計(jì)算。具體包括以下幾方面的功能:① 邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)顯示,即可在相應(yīng)視圖查詢到實(shí)時(shí)的計(jì)算值及計(jì)算時(shí)間。② 計(jì)算表達(dá)式配置,即可添加計(jì)算表達(dá)式,按照一定規(guī)則填寫(xiě)相應(yīng)的計(jì)算表達(dá)式；支持算術(shù)運(yùn)算符、比較表達(dá)式、布爾邏輯運(yùn)算等。③ 變量綁定,即可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行變量綁定,形成新的虛擬變量,實(shí)現(xiàn)表達(dá)式間的嵌套與復(fù)雜計(jì)算;計(jì)算周期設(shè)置,即可對(duì)具體某個(gè)表達(dá)式的邊緣計(jì)算周期進(jìn)行設(shè)置,滿足不同需求。

在低壓電器數(shù)字化車間使用中,可通過(guò)邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品合格率、設(shè)備稼動(dòng)率等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)等功能,減輕云平臺(tái)計(jì)算壓力。項(xiàng)目采用的部分邊緣計(jì)算公式如表2所示。

表2 項(xiàng)目采用的部分邊緣計(jì)算公式

3.3 低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量追溯及設(shè)備管理模塊

項(xiàng)目前期開(kāi)展了行業(yè)技術(shù)調(diào)研,應(yīng)用適應(yīng)低壓電器行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、主要產(chǎn)品的編碼規(guī)則與信息架構(gòu),建立標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)模板,實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部編碼數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與追溯[7]。

基于編碼系統(tǒng),開(kāi)發(fā)了低壓電器產(chǎn)品質(zhì)量分析及追溯模塊,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的唯一編碼,可根據(jù)產(chǎn)品ID查詢產(chǎn)品質(zhì)量信息,提升車間制造信息與運(yùn)維信息可追溯化水平,支撐產(chǎn)品全生命周期管理。產(chǎn)品關(guān)聯(lián)的信息主要包括:零部件追溯信息、生產(chǎn)制造過(guò)程參數(shù)、設(shè)備信息、人員信息、在線調(diào)試數(shù)據(jù)、設(shè)備在線檢測(cè)數(shù)據(jù)、質(zhì)量狀態(tài)等。

同時(shí),項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了低壓電器數(shù)字化車間設(shè)備管理子模塊,根據(jù)統(tǒng)一規(guī)則對(duì)各設(shè)備/傳感器進(jìn)行唯一編碼,實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的精確定位、信息管理等功能。

3.4 低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)

項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了基于Spring Cloud架構(gòu)的云端低壓電器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái),可匯總邊緣計(jì)算形成的數(shù)據(jù)并開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析處理。

(1) 完成對(duì)車間生產(chǎn)設(shè)備、ERP企業(yè)資源管理計(jì)劃系統(tǒng)、MES生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、PLM產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)、WMS倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)集成。

(2) 基于數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定邏輯的整合、梳理、分析,形成車間訂單/工單信息概覽、財(cái)務(wù)信息概覽、倉(cāng)儲(chǔ)信息概覽、研發(fā)進(jìn)度概覽、生產(chǎn)信息概覽等頁(yè)面。

(3) 綜合各概覽頁(yè)面信息,形成數(shù)字化車間駕駛艙,實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備、產(chǎn)品生產(chǎn)全制程數(shù)據(jù)的管理與追溯。

(4) 完成對(duì)多終端定制開(kāi)發(fā)的適配,支持大屏展示、車間看板、移動(dòng)端App等不同層級(jí)需求,滿足車間信息高效分享、用戶反饋快速響應(yīng)的需求。

4 應(yīng)用案例

2018～2021年,在某合作企業(yè)塑殼斷路器數(shù)字化車間完成統(tǒng)一信息平臺(tái)的應(yīng)用。該車間為100 A殼架塑殼斷路器手工裝配、自動(dòng)化檢測(cè)車間。車間前期已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化裝備、MES、ERP、WMS等分項(xiàng)系統(tǒng)建設(shè)?；谔嵘囬g數(shù)據(jù)利用水平,挖掘提質(zhì)降本增效潛力的需求,開(kāi)展了統(tǒng)一信息管理平臺(tái)的建設(shè)應(yīng)用。塑殼斷路器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)示范架構(gòu)如圖2所示。

圖2 塑殼斷路器數(shù)字化車間統(tǒng)一信息管理平臺(tái)示范架構(gòu)

下面,對(duì)項(xiàng)目各軟件模塊應(yīng)用情況進(jìn)一步說(shuō)明。

(1) 數(shù)據(jù)采集:在塑殼斷路器自動(dòng)化裝配及在線檢測(cè)單元設(shè)備管理工控機(jī)中部署數(shù)據(jù)采集模塊,搭建OPC Server,實(shí)現(xiàn)以統(tǒng)一的方式訪問(wèn)各現(xiàn)場(chǎng)PLC,并將塑殼斷路器生產(chǎn)及測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

(2) 邊緣計(jì)算:在塑殼斷路器自動(dòng)化裝配及在線檢測(cè)單元設(shè)備管理工控機(jī)中部署設(shè)備側(cè)邊緣計(jì)算模塊,就近提供邊緣智能服務(wù),提供生產(chǎn)裝備運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理功能,如合格率、稼動(dòng)率、生產(chǎn)效率、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等計(jì)算,實(shí)現(xiàn)只向統(tǒng)一信息平臺(tái)上傳關(guān)鍵數(shù)據(jù)。各條產(chǎn)線完整數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)于本產(chǎn)線的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中,可在云端調(diào)用并整合關(guān)鍵數(shù)據(jù),指導(dǎo)串行生產(chǎn)線的協(xié)作,并行生產(chǎn)線的訂單完成與分配等。

(3) 設(shè)備管理及產(chǎn)品追溯:完成車間現(xiàn)場(chǎng)的主要生產(chǎn)設(shè)備在系統(tǒng)中的注冊(cè),分配唯一設(shè)備ID,可通過(guò)系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)鏈接實(shí)時(shí)查看各設(shè)備的狀態(tài)、數(shù)據(jù),并配置設(shè)備的采集參數(shù)。產(chǎn)品追溯中存儲(chǔ)關(guān)鍵測(cè)試參數(shù)、在線測(cè)試結(jié)果等信息,可用于后續(xù)產(chǎn)品全生命周期健康分析,并對(duì)高價(jià)值產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)一物一碼追溯。

(4) 統(tǒng)一信息展示:在統(tǒng)一信息展示中實(shí)現(xiàn)對(duì)底層生產(chǎn)設(shè)備、車間MES系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的匯總,可提供生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、設(shè)備管理等信息展示。完成相關(guān)信息在車間辦公室大屏、產(chǎn)線看板上的分級(jí)、分類展示。

示范項(xiàng)目完成了接入并展示的信息。統(tǒng)一信息平臺(tái)示范接入信息表如表3所示。

表3 統(tǒng)一信息平臺(tái)示范接入信息表

通過(guò)本平臺(tái)建設(shè),在企業(yè)中實(shí)現(xiàn)了車間各設(shè)備、各系統(tǒng)間信息的全面采集、整合利用與統(tǒng)一展示,實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)及質(zhì)量檢測(cè)的信息化、實(shí)時(shí)監(jiān)控、邊緣計(jì)算、產(chǎn)品追溯、運(yùn)維管理等一系列功能。據(jù)示范企業(yè)提供數(shù)據(jù)測(cè)算,在上線本平臺(tái)3個(gè)月后,企業(yè)生產(chǎn)效率提升5%以上,管理成本節(jié)省10%以上。

5 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目完成了低壓電器工廠統(tǒng)一信息平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,有效實(shí)現(xiàn)了工廠層面的全制程數(shù)據(jù)采集、分析、管理,有望解決國(guó)內(nèi)低壓電器生產(chǎn)制造企業(yè)普遍存在的信息化程度偏低、各系統(tǒng)間相對(duì)獨(dú)立、數(shù)據(jù)利用率低等難點(diǎn),加速低壓電器行業(yè)從傳統(tǒng)手工制造向信息化制造的轉(zhuǎn)變,對(duì)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展具有較好的示范引領(lǐng)作用。

未來(lái)將在本項(xiàng)目成果基礎(chǔ)上,持續(xù)擴(kuò)大平臺(tái)規(guī)模與覆蓋面,實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)的共享信息云平臺(tái),最終建立起聯(lián)通全行業(yè)的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同制造機(jī)制,預(yù)期將在供應(yīng)鏈優(yōu)化協(xié)同、遠(yuǎn)程運(yùn)維與服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮更大價(jià)值。