基于实时数据采集的可视化设备建模研究与设计

李 军，里 鹏

LI Jun1，LI Peng2

（1. 红塔辽宁烟草有限责任公司，沈阳 110001；2. 中国科学院 沈阳自动化研究所，沈阳 110016）

0 引言

数字化设备模型是实现MES平台建模的关键技术，该模型主要涵盖物理设备的生产组织方式及设备物理布局等信息，例如部门的隶属关系、设备的位置关系等信息；数字化设备模型是采用建模理论作为基本依据，以数字化的形式在计算机上全面映射生产制造过程，是制造系统实际生产在线监控和离线辅助决策的有效手段。

1 基于SP95标准的设备模型

1.1 设备布局形式分类

车间设备组织形式指按照一定的组织原则，将设备放置在车间中，使得车间各项指标达到最优。通常的车间组织形式分为以下三种[1,2]。

1）产品原则布局（Product Layout）：产品原则布置也称为流水线布置或产品对象专业化原则布置。当产品品种很少而生产数量又很大时，按产品的加工工艺过程顺序配置设备，形成流水线。典型的产品原则布置方式如图1所示。

图1 产品原则布置

2）工艺原则布局（Process Layout）：工艺原则布置也称机群式布置。在这种布置形式中，同种类型的设备和人员被集中布置在一个地方完成某个加工工艺。典型的工艺原则布置方式如图2所示。

图2 工艺原则布局

3）成组原则布局（Group Layout）。成组原则布置又称为混合原则布置。这种布置形式利用成组原理把使用频率较高的机器群按工艺过程顺序组合成成组制造单元，使整个生产系统由数个成组制造单元构成。典型的成组原则布置方式如图3所示。

图3 成组原则布局

1.2 SP95标准中设备模型的描述

SP95标准中，将设备模型描述为设备层次模型，设备层次模型与设备布局对应，每一个父级设备对象都包含零个或多个子级设备对象，该模型支持多加工点生产模式,例如一个“企业”可以包含零个或多个“工厂”[3,4]。

1.3 面向烟草行业SIA-MES平台的体系框架

本文提出的数字化设备模型是面向烟草行业 MES（Shenyang Institute of Automation-Manufacturing Execution System）平台中可视化建模的一个重要组成部分，它通过将生产过程数字化，呈现一个清晰详尽的产品生产过程。SIAMES运行平台的主要目标是通过卷烟产品家族的建立、生产线建模和线旁料架的描述等建立生产车间的数字化描述，辅以对生产事件、生产状态的描述和控制实现生产活动的序列转换，利用辅助的生产计划仿真、配方管理、SPC分析、质量分析，在制品管理、设备运维管理等功能完成生产车间的数字化管理[5]。

2 数字化设备的基本数据模型

2.1 工厂模型

工厂模型主要涉及工厂的生产组织方式及设备物理布局等信息，业务流程处理模型用于描述生产单元中涉及的生产活动信息并以其他模型为基础动态执行业务流程，该模型为MES系统的核心；基础对象模型用于描述系统运行需要的基本配置信息；产品模型用于描述企业的产品组成及相关工艺标准。

该模型用于对企业生产部门之间的隶属关系及生产部门内部的生产设备物理布局进行描述建模，通过该模型可使MES系统了解企业生产的组织方式。

2.2 生产线模型

生产线模型用于描述车间内生产线的组织情况，即说明生产线是由那些生产单元组成的，在此以烟厂制丝车间为例，生产线模型如图4所示。

图4 生产线模型

2.3 设备模型

在卷烟生产企业中，设备模型用于描述生产线中相应的设备，在此以3000Kg叶丝线中的滚筒式烘丝机为例进行建模，模型如图5所示。

2.4 数据采集模型

图5 设备模型

数据采集模型是设备模型的核心部分，将底层数据采集标签抽象为变量语义元，主要为了获得将现场实时数据，以供辅助决策和为上层高级应用提供数据支持。

它通过数据采集器将现场数据收集上来，以标签的形式存放在实时历史数据库中，通过可视化配置工具将实时历史中的标签与设备模型中定义的变量绑定，通过数据同步可以在设备模型的客户端展现底层现场数据的实时状态。例如在设备模型中针对能动车间的蒸汽瞬时流量，定义一个“蒸汽瞬时流量”变量，通过配置工具将该变量与实时历史数据库中的标签绑定，实时历史数据库通过数据采集器从底层设备中读取实际温度值，并以固定周期轮训刷新该数据值，此时设备模型客户端中展现的温度值与底层数据实时温度值保持一致，关系数据库中只存放较少时间间隔的业务数据，历史数据通过归档压缩，以节约存储空间。

3 系统实现与建模实例

3.1 系统实现

用户接口层使用微软WPF技术，通信层使用WCF数据传输技术，数据库持久层选择Oracle数据库。数据库服务器运行于AIX 6操作系统，WCF服务器通过IIS宿主于Windows Server 2003操作系统。硬件方面：应用服务器、报表服务器和数据库服务器使用IBM X3650。

3.2 基于实时数据采集的设备模型建模实例

以该烟厂为例，如图6所示，介绍建模的整体流程：

1）根据车间模型定义，建立车间模型，然后根据生产线模型定义，建立车间下一级别的生产线模型，根据物理设备的布局，建立生产线下一界别的设备模型。

2）定义设备模型下的数据采集模型，通过建模工具将数据采集层的标签与设备模型中的变量绑定，建立关联关系。

3）构建设备模型的界面，定义其属性，并制定数据采集周期，最终展示可视化的设备模型。

4 结束语

可视化设备模型是MES软件平台的基础模型，为上层的应用服务套件提供基础数据和支持，是MES软件平台中关键环节。设备模型将现场的物理设备和生产过程数字化，实现企业生产可视化，为辅助决策起到了积极作用。本文使用SP95标准结合当前烟草企业的需求，建立了对应的设备模型，为数字化设备模型应用于生产过程在线监控和管理辅助决策起到了重要作用。采取基于SP95标准设计并开发设备建模平台，降低系统间集成的开销，为日后系统间集成打下良好基础。

图6 设备建模实例

[1]龚全胜. 基于遗传算法的制造系统虚拟设备布局设计[D]. 武汉: 华中科技大学, 2004.

[3]The Instrumentation ,Systems,and Automation Society(ISA).ANSI/ISA-95.00.01-2000:enterprise-control system integration Part1: models and terminology[EB/OL].2007-03-15.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18, _Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950001.pdf

[4]The Instrumentation, Systems, and Automation Society(ISA). ANSI/ISA-95.00.02-2001: enterprisecontrol system integration Part 2: Data Structures and Attributes[EB/OL]. 2007-08-24.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18,_Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950002. pdf

[5]PAN Fucheng, PENG Hui, SHI Haibo.Event-Based Production Process Traceability Model [C], Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation,2006, 6: 1217-1232.