某總裝車間數(shù)據(jù)采存系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫科星， 劉連喜， 崔 偉， 許云豐， 邱 楓

（1.中國兵器裝備集團(tuán) 自動(dòng)化研究所有限公司， 四川 綿陽 621000； 2.北京星航機(jī)電裝備有限公司， 北京 100070）

0 引言

隨著世界工業(yè)改革浪潮的再一次推動(dòng)下，“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”應(yīng)勢而生，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)成為了一種必然趨勢。 不論是“工業(yè)4.0”還是“中國制造2025”， 其核心都是集生產(chǎn)制造技術(shù)、 信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)于一體，以柔性服務(wù)為理念，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)字化、智能化管理，達(dá)到對(duì)人、機(jī)、料進(jìn)行合理高效管排的目的， 并最終實(shí)現(xiàn)車間數(shù)字化、 制造過程智能化，車間智慧化，促進(jìn)企業(yè)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。 在車間實(shí)現(xiàn)數(shù)字化過程中，設(shè)備的車間級(jí)聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、以及自動(dòng)化物流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)使用將是實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)化制造和模塊化制造的基礎(chǔ)， 是實(shí)現(xiàn)智能制造和車間智慧化的前提條件[1]。

本文針對(duì)某航天總裝車間生產(chǎn)制造過程中所使用的多種設(shè)備，基于物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字化技術(shù)，結(jié)合車間人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素的特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)要素進(jìn)行分類與數(shù)字化建模，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了Socket、Modbus、S7 等設(shè)備類數(shù)據(jù)采集協(xié)議以及Access、SQL Server 等數(shù)據(jù)庫采集協(xié)議和FTP 等文件獲取與解析協(xié)議?；诙鄥f(xié)議采集平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備、檢測儀器、工具、工裝、人員、環(huán)境等信息的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知與存儲(chǔ)， 為車間數(shù)字化與信息化建設(shè)打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

某航天總裝車間存在人、機(jī)、料、環(huán)、測五大類生產(chǎn)要素，為了高效采集各生產(chǎn)要素中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性， 設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采存總體架構(gòu)。 該架構(gòu)分為三層，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層主要功能為感知各生產(chǎn)要素產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理層是對(duì)來自底層的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、格式轉(zhuǎn)換、存庫；業(yè)務(wù)功能層包含總裝車間數(shù)據(jù)管理、報(bào)警監(jiān)測等信息化子系統(tǒng)， 其主要功能是為總裝車間生產(chǎn)態(tài)勢及狀態(tài)監(jiān)測和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 該數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集與交互技術(shù)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 人員類數(shù)據(jù)模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

某航天總裝車間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與交互包含車間生產(chǎn)要素分類、生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化建模、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)4 個(gè)模塊，車間生產(chǎn)要素分類根據(jù)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測進(jìn)行分類，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及采集協(xié)議的匯總；生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化建模是對(duì)車間人員、設(shè)備、物料3 大生產(chǎn)要素進(jìn)行數(shù)字化建模，整理各要素特點(diǎn)與特性，理清各要素之間的邏輯關(guān)系； 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取與格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)和維護(hù)。

2.1 生產(chǎn)要素分類

總裝過程中，參與的生產(chǎn)要素種類及規(guī)格多樣，采用工藝定義與人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)總裝過程中涉及的人員、物料、設(shè)備、工具進(jìn)行分類，將生產(chǎn)要素進(jìn)行定義，以便于后續(xù)對(duì)生產(chǎn)要素定量描述。 由于生產(chǎn)要素分類部分要素主要以人為經(jīng)驗(yàn)為主進(jìn)行分類， 因此構(gòu)建評(píng)估體系和模糊處理對(duì)描述進(jìn)行量化處理， 將生產(chǎn)要素參與工藝過程的次數(shù)以及關(guān)重程度進(jìn)行分析， 以得出生產(chǎn)要素分類[2]。結(jié)合車間環(huán)境及各要素實(shí)際情況及其相關(guān)數(shù)據(jù)協(xié)議和數(shù)據(jù)項(xiàng)，分類結(jié)果如表1 所示。

表1 生產(chǎn)要素分類表

2.2 生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化建模

在數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)中， 車間制造過程中各數(shù)據(jù)作為統(tǒng)一的實(shí)體被用戶操作。 數(shù)據(jù)本身和數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系都是用戶操作的對(duì)象，在實(shí)際應(yīng)用中，只有明確了每個(gè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 才有可能對(duì)制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理。 在本文中，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ∣bject-Oriented Methodology，OOM） 來建立總裝車間制造過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)象模型[3]。

2.2.1 人員類數(shù)據(jù)模型

人員是資源的一部分， 是總裝車間生產(chǎn)過程的重要參與者， 裝配及設(shè)備操作人員在車間作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生制造相關(guān)的人員類數(shù)據(jù)， 以制造過程相關(guān)人員數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，人員數(shù)據(jù)模型如下圖所示。模型中總裝車間作業(yè)人員定義組成車間人員類， 總裝車間人員類包含人員類操作和人員類屬性， 各類操作和屬性下有對(duì)應(yīng)于各自己的操作方法和屬性值， 如個(gè)人操作有獲取相關(guān)裝配與物流調(diào)度任務(wù)、采集并上傳制造過程數(shù)據(jù)、檢測產(chǎn)品等，個(gè)人屬性有員工工號(hào)、工組信息等。同時(shí)個(gè)人還對(duì)應(yīng)于車間制造過程生產(chǎn)任務(wù)，并關(guān)聯(lián)到任務(wù)下的生產(chǎn)任務(wù)信息。

2.2.2 設(shè)備類數(shù)據(jù)模型

設(shè)備數(shù)據(jù)模型是基于設(shè)備模型展開的， 在模型中定義了設(shè)備類、設(shè)備特性、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備能力。 如圖3 所示，由設(shè)備類定義并組成設(shè)備信息，設(shè)備類包含有設(shè)備類基本屬性和設(shè)備類特性，并各自具有相應(yīng)能力測試屬性。設(shè)備也同樣由設(shè)備屬性作和設(shè)備特性構(gòu)成， 設(shè)備維護(hù)和設(shè)備測試在具有各自屬性值的同時(shí)還必須映射到設(shè)備類操作和設(shè)備類屬性。 同時(shí)每臺(tái)制造設(shè)備還具有各自的加工任務(wù)和維護(hù)計(jì)劃， 通過設(shè)備可以關(guān)聯(lián)到加工任務(wù)信息和基于任務(wù)下的設(shè)備工作狀態(tài)信息， 以及維護(hù)計(jì)劃下的設(shè)備故障信息和維護(hù)日志信息。

圖3 設(shè)備類數(shù)據(jù)模型

2.2.3 物料類數(shù)據(jù)模型

物料類和物料類屬性構(gòu)成了物料類數(shù)據(jù)模型，在制造過程數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)中，物料包括生產(chǎn)用原材料、在制造品和裝配零件，通過物料定義，使其對(duì)應(yīng)于物料類，其中物料質(zhì)量保證和物料質(zhì)量保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相應(yīng)的映射到物料類和物料類屬性。在制造過程中，物料通常是以批次進(jìn)行加工和調(diào)度轉(zhuǎn)運(yùn)的，因此，物料批次數(shù)據(jù)也對(duì)應(yīng)于物料定義下物料屬性數(shù)據(jù)。 隨著加工過程的進(jìn)行，物料的相關(guān)屬性及特性會(huì)發(fā)生改變，這樣，物料屬性下的相關(guān)數(shù)據(jù)也相應(yīng)的關(guān)聯(lián)到車間生產(chǎn)制造及質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，并根據(jù)質(zhì)檢要求和質(zhì)檢結(jié)果得到質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。 如圖4 所示。

圖4 物料類數(shù)據(jù)模型

2.3 數(shù)據(jù)采集

2.3.1 數(shù)據(jù)采集流程

由表1 可知， 總裝車間設(shè)備及傳感器的采集協(xié)議主要有：Socket、西門子S7、HTTP 等數(shù)據(jù)流型通信協(xié)議及Access、SqlServer 等數(shù)據(jù)庫型通信協(xié)議和文件類型的通信協(xié)議。

現(xiàn)階段， 結(jié)合總裝車間生產(chǎn)要素與采集對(duì)象的多協(xié)議的特性，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程。

根據(jù)車間數(shù)據(jù)獲取地點(diǎn)所在具體位置和制定的采集方案，選擇具體使用的方法?，F(xiàn)場設(shè)備接收有關(guān)指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)將數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)實(shí)施傳輸。上位機(jī)端通過網(wǎng)絡(luò)向采集設(shè)備控制模塊發(fā)送指令， 進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，然后通過車間局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)實(shí)時(shí)接收車間各處采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)解析后，經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗(yàn)和算法處理，將滿足要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫[4-5]。

總裝車間數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.2 RFID 數(shù)據(jù)采集模塊

車間工具工裝位置數(shù)據(jù)以及人員進(jìn)出與位置數(shù)據(jù)均采用RFID 讀卡器與RFID 芯片結(jié)合的形式獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。 為了識(shí)別工具工裝的位置信息， 在20 個(gè)裝配工位處分別安裝一個(gè)RFID 讀卡器， 裝配區(qū)域的工具與工裝上粘貼RFID 芯片，人員佩戴RFID 手環(huán)，這樣當(dāng)粘有RFID 芯片的工具與工裝處于某個(gè)裝配工位時(shí)，RFID 讀卡器便能自動(dòng)獲取芯片上的預(yù)留信息，從而簡介獲取該工具的位置、類別、名稱、編號(hào)等信息。

該類RFID 讀卡器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用Socket，模式為客戶端與服務(wù)器模式，讀卡器作為服務(wù)端，采集程序作為客戶端，程序啟動(dòng)后，客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接請求，連接成功后客戶端主動(dòng)請求從而使服務(wù)端讀取范圍內(nèi)RFID 芯片數(shù)據(jù)，讀取后服務(wù)端以事件形式將獲取到的反饋給客戶端。具體流程如圖6所示。

圖6 RFID 數(shù)據(jù)獲取流程

2.3.3 環(huán)境監(jiān)測傳感模塊采集

環(huán)境監(jiān)測傳感器包含溫濕度傳感器、粉塵及有害氣體傳感器兩類，粉塵及害氣體傳感器主要部署在噴漆間等粉塵和二氧化硫、苯、一氧化碳濃度較高的房間，用于環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，普通作業(yè)車間只部署溫濕度傳感器。

溫濕度、 粉塵及有害氣體傳感器均為建大仁科網(wǎng)絡(luò)型傳感器， 采集協(xié)議均為Socket， 模式為客戶端服務(wù)器，與RFID 讀卡器所不同的是，該采集模塊中，傳感器為客戶端，采集程序?yàn)榉?wù)器，采集程序啟動(dòng)時(shí)，初始化溫濕度傳感器數(shù)據(jù)獲取模塊服務(wù)，等待客戶端請求連接，連接成功后，客戶端主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，服務(wù)端以事件形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與處理。

2.3.4 設(shè)備類數(shù)據(jù)采集模塊

車間內(nèi)氣密檢測臺(tái)、線纜測試儀、沖擊過載臺(tái)、雨淋系統(tǒng)等采集對(duì)象大部分都由總控系統(tǒng)或者PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理或控制。 PLC 類控制器，數(shù)據(jù)采集一般通過Modbus、OPC DA/UA、Socket、S7 等形式直接訪問到控制系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，包括關(guān)注的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢測質(zhì)量數(shù)據(jù)等信息，實(shí)現(xiàn)加工設(shè)備的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。

對(duì)于數(shù)據(jù)存于PC 機(jī)的等設(shè)備，這類數(shù)據(jù)一般存在于文件、數(shù)據(jù)庫、第三方軟件中。對(duì)于數(shù)據(jù)庫，目前主流數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)有ODBC、JDBC、OLE DB 等； 對(duì)于文件，數(shù)據(jù)獲取一般借助于FTP 服務(wù)器、 遠(yuǎn)程共享方式讀取文件等方式實(shí)現(xiàn)；對(duì)于第三方軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互一般借助于Http、OPC、Socket 等。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)均采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Mysql8.0.16 對(duì)生產(chǎn)裝配過程采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理， 有效的保證了數(shù)據(jù)的完整性，按數(shù)據(jù)類型對(duì)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，形成不同數(shù)據(jù)庫，如生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)庫、資源數(shù)據(jù)庫、質(zhì)量數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)車間運(yùn)行數(shù)據(jù)庫等，支持3 年以上的存儲(chǔ)時(shí)間。

數(shù)據(jù)的類型包含質(zhì)量數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)通過接收生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行解析、處理后，存儲(chǔ)到現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫中，這類現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過融合、抽取、處理、裝載等存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)數(shù)字化管理系統(tǒng)根據(jù)需要從兩類數(shù)據(jù)中抽取數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、對(duì)比分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、可視化顯示等公共操作。此外，系統(tǒng)還預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口， 為上層軟件和其他信息化系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 RFID 數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)與管理

系統(tǒng)所需要采集的數(shù)據(jù)主要包括： 設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)裝配數(shù)據(jù)、工具工裝位置數(shù)據(jù)等。 其中設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、 工具工裝位置數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量大，需要建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表進(jìn)行存放，而其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)更強(qiáng)調(diào)完整性，存放到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中。 構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫兩級(jí)數(shù)據(jù)庫，并建立兩級(jí)數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的融合、抽取、處理、裝載等操作，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、共享。

3 結(jié)束語

本文從解決某航天總裝車間設(shè)備、工具工裝、環(huán)境等生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的需求出發(fā)， 針對(duì)車間數(shù)據(jù)感知能力弱、數(shù)據(jù)管理混亂的現(xiàn)狀，開展數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)技術(shù)研究，圍繞車間物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境搭建與設(shè)備數(shù)據(jù)管理建設(shè)，提升車間數(shù)據(jù)感知能力與效率。 通過數(shù)據(jù)采集與交互軟件、車間態(tài)勢監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)管理軟件，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)裝配過程關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的收集、存儲(chǔ)、查詢、發(fā)布；完成了對(duì)工裝、人員、設(shè)備狀態(tài)信息的獲取與保存。從而有效地解決了產(chǎn)品在總裝過程中存在的一系列信息丟失、數(shù)據(jù)難以保存等問題，進(jìn)一步提高了總裝過程的生產(chǎn)效率、促進(jìn)了生產(chǎn)質(zhì)量的提升，推動(dòng)了企業(yè)數(shù)字化與信息化能力建設(shè)。