数字化车间生产现场数据采集与智能管理研究*

邹 旺，李少波

(贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025 )

0 引言

数字化车间的建立是“工业4.0”发展的重要环节[1]，对车间信息实时采集、集成、智能管控且实现企业上层管理与生产过程之间的交互是建立数字化车间的一个重要基础。文献[2]对车间制造过程监控系统进行了设计，实现对生产状态信息的采集。文献[3]设计一套异构数控机床数据采集系统，实现车间不同档次和型号的数控机床信息化管理。文献[4]提出基于制造物联网的生产过程关键事件主动感知技术架构，实现制造数据的结构化统一表达，并构建了大数据运用规划。文献[5]设计了一种基于物联网技术的制造执行系统体系架构，为物联网在制造领域提供重要借鉴价值。文献[6]提出一种基于物联网的实时制造执行系统，实现精确的生产计划和调度等。文献[7]提出一种基于MES的车间动态质量管理系统，实现质量计划、实施、检测、处理四个阶段动态循环执行。文献[8]针对多品种小批量生产车间监控可视性低、生产进度信息实时性差等问题，建立了一种能动态反映车间生产任务执行情况三维可视化监控系统。

某航天制造企业具有产品生产专业化水平高、工艺流程复杂，多样化、少批量等特点，目前，企业的生产车间制造过程管控存在着一些问题，一方面制造数据采集技术落后，导致制造数据采集不实时、不全面，容易造成监控时间滞后、监控对象不全等问题；另一方面对制造数据的分析、可视化应用较少，导致不能准确、及时的为生产过程提供决策支持。

针对这些问题，本文在研究利用传感器技术、自动识别技术、加工设备联网技术的基础上，构建一个面向数字化车间的现场制造过程数据采集与智能管理技术架构，实现制造数据的全面实时采集与管理，利用网络技术对采集到的制造数据进行有效分析与可视化应用，研究开发一套制造过程数据采集与智能化管理系统，实现对该企业生产现场制造资源的识别、跟踪、管控等，从而达到提高企业生产过程管控水平、提升生产能力、提高质量的目标。

1 制造过程数据采集与智能管理系统需求

根据对该航天制造企业的实地调研情况，系统需要对制造过程数据进行实时采集，并且能够实现将采集到的数据与企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning，ERP)实现集成共享，为企业上层管理系统提供全面的、实时底层数据。当前，企业对系统需求归纳以下几个方面:

(1)车间生产管理；掌握车间生产过程状况，实时监控生产任务，有利于准确把握生产任务进度。

(2)物料/在制品管理；车间各工位制造数据采集，掌握当前制造工艺流程，有利于后续生产过程任务安排，对产品质量问题进行追溯。

(3)设备的实时数据管理；对生产设备的信息采集，信息包括设备状态、当前加工零件、程序号、主轴转速、进给速度等。实时对这些动态数据存储、监控和分析，让生产调度更加可靠，设备故障能够及时处理。

(4)产品质量管理；对半成品信息的采集，跟踪半成品质量，避免漏检、检验不及时等情况，保证产品生产周期质量。

(5)报表统计分析；通过对数据的采集—存储—处理—应用，可对数据进行科学统计分析，并进行可视化图形报表显示，如可查看机床运行效率、报警信息等报表图，实现对整个生产过程的管控。

2 车间制造过程数据分析

根据企业生产车间实际情况，车间数据类型较多，不同的类型数据采集方式不同，因此对数据进行分析、分类有利于对数据采集与管理。车间制造数据可分为三类：静态数据、动态数据、中间数据。①静态数据：静态数据在通常情况下是不会改变的，如：人员信息、设备编号信息、物料信息 、产品名称信息等。②动态数据：动态数据是随着制造过程改变的，它是需要及时采集的数据。如：计划进度信息、加工状态、加工时间等。③中间数据：中间数据是对静态数据和动态数据处理过后的信息，为后续制造数据的应用提供可靠的数据。

3 制造过程数据采集与智能管理系统设计

3.1 系统架构设计

在上述对企业车间制造过程数据类型分析与分类的基础上，构建制造过程数据采集技术架构。该结构主要由车间层、数据处理层、管理服务层构成，如图1所示。①车间层：该层主要实现制造过程数据进行采集与传输。数据采集的方式主要有RFID设备、传感设备、加工设备等。②数据处理层：该层主要实现对制造数据进行整合与集成，数据整合是对车间制造过程数据进行关联运算、统一建模、标准化封装。数据集成主要是针对数据的特点和用途储存，实现能与其他系统进行数据集成和共享。③管理服务层：针对生产过程监控的需求，数据层会调用数据库里面的数据，进行科学统计分析，为生产决策提供决策支持。

图1 制造过程数据采集与智能管理技术架构

3.2 车间异构数据采集方案硬件设计

为解决该企业车间层制造过程异构数据采集问题，结合上述对生产车间数据类型的分析，分别采用自动识别技术、传感器技术、加工设备联网技术等采集方式对生产车

间制造过程数据进行采集，并通过工业以太网将采集到的数据实时上传至数据库。如图2所示制造过程异构数据采集。

图2 制造过程异构数据采集

3.2.1 自动识别技术

自动识别技术包括RFID技术、条形码技术等，RFID和条形码技术[9]两者相结合将生产计划所涉及到的信息进行标识，主要采集物料及物料状态信息、人员信息、设备信息、零件加工信息、质量信息等。

3.2.2 传感器技术

企业生产车间的制造过程环境会对产品的质量、一致性造成影响，传感器网络通过车间工业以太网与数据服务器相连，将制造过程环境数据实时采集上传，实现实时监控车间制造过程环境因素，有利于及时解决由环境变量引起的问题。它主要采集制造过程的温度、湿度、电磁等信息。

3.2.3 加工设备联网技术

根据该企业实际生产车间情况，加工设备可分为两类：数控机床、其他设备(如测试设备、热处理设备)，对于数控机床而言，目前数控机床传输接口分为三类，分别为无通讯接口、串行口、网口；对无通讯接口的数控机床运行数据采集，采用数据采集器(型号为IOLOGIK E1210)与机床PLC模块相连接，通过数据采集器采集PLC信号实现机床数据采集。对于串口机床数据采集，通过采集加工程序的宏指令来采集运行状态数据。对于网口机床数据采集，通过DNC[10]网卡接口进行采集。对于其他设备而言，如图3所示，具有RS-232/RJ45接口的设备可直接通过不同型号的采集器进行数据采集，没有RS-232/RJ45接口的设备，需对设备进行改造，在通过数据采集器进行接口连接实现数据采集。

图3 其他设备数据采集

3.3 系统软件功能模块设计

系统结构主流上分为两种，分别是C/S架构和B/S架构，在系统软件的开发中他们占有不同的优势，考虑到开发和维护成本等方面的因素[11]，本系统结构采用B/S架构。整个系统能够实现的一个重要环节就是系统的软件设计，软件设计对系统的稳定性、实时性、可扩展性、运行效率有着很大的影响。根据企业生产车间需求，结合制造过程实际特点，设计了系统软件功能模块，如图4所示。本系统按功能上划分为5个部分，分别是系统配置、管理、视图、统计、质量监控。

图4 系统软件功能模块

(1)系统配置。系统配置主要包含两个模块：设备配置和设备管理，其中设备配置：当生产车间增加了一台新设备时，需要向系统中增加该设备，将设备的类型、名称、厂家等信息需要录入到系统中，当车间设备减少时，系统中该设备的信息需要被清除。设备管理：设置每台机床的IP地址、通讯端口等。

(2)管理。管理主要包括制造资源管理、生产计划，其中制造资源管理：主要负责对制造资源的状态信息进行查询，生产计划：主要负责对生产计划的跟踪和查询。

(3)视图。视图模块主要包括：电子看板、零件加工显示；电子看板：能够显示不同编号机床的实时状态，包括关机、开机、空闲等信息。零件加工显示：显示当前零件名称、序号、数量、程序名称等信息。

(4)报表统计。报表统计模块主要包括统计图表、效能对比；统计图表：对制造过程信息汇总分析生产分析报告，可以显示机床运行效率、利用率。效能对比：对比不同日期、不同班次机床的效能图。

(5)质量监控。质量监控模块包括产品质量检测和故障报警；质量检测：实现产品在线检测，可以查询产品合格率、完成率等信息。故障报警：可以实时显示近期报警机床的名称、报警次数等信息，并可以查询报警信息图，实时掌握机床的运行状况。

4 数据库设计

数据库设计是软件系统设计的一个重要基础，它的合理设计是系统稳定运行、满足需求(存储要求和处理要求)的保证。目前计算机主流操作系统是Windows，SOL Server是基于Windows操作系统开发的关系型数据库，考虑到数据库能够支持操作系统平台和不同的硬件结构，本系统采用SOL Server关系型数据库管理。设计的数据库要能适应系统的开发要求，通过对数据的采集、存储、处理、分析，确定了数据库实体关系图。如图5所示。

图5 数据库实体关系图

5 系统应用

如图6所示系统主界面，系统主界面是整个管理系统的展示区域，用户可以点击主界面操作工具条查询需要查询的信息，例如配置按键下包括设备设置、报警管理采集、关系设置等操作。

图6 系统主界面

电子看板界面如图7所示显示了加工组机床列表，表内显示了机床的位置、型号、编号、IP地址等信息。用户可以查询不同时间段机床运行效率、开机率、效能统计分析图表，用户还可以对报警信息进行查询，数据表显示报警机床编号、报警次数、时间等信息。在车间没有实施该系统之前，统计机床的加工信息都是由操作人员每天人工统计后交给生产管理部进行周统计，通过这样的方式来计算机床运行效率，在系统实施之后，通过系统自动的对机床运行效率统计分析并生成分析图表，不仅节约了大量的人力，而且更加实时、准确、全面地管控机床加工过程。

图7 设备状态查询

图8所示为生产计划模块，该模块能够与ERP系统集成，当制造车间生产部门接受生产订单之后，便在系统中制定生产计划，用户通过该界面可以对生产任务进行查询和跟踪，实时掌握任务进度、任务状态、未完成的任务。

图8 生产计划查询

6 总结

本文针对某企业车间生产现场管控问题，构建了制造过程数据采集与智能管理系统架构，并提出车间制造过程异构数据采集实现方法，该技术架构为车间管控提供了一种新模式。

本文研发的一套数字化车间制造过程数据采集与智能管理系统已在某航天制企业生产车间得到运行，应用效果良好，实现了车间的制造过程的实时管控，使得生产排产更加有效、方便，节约了大量生产订单工时。企业管理人员可通过系统web端，查询生产车间制造过程实时数据科学统计分析图表，为生产过程提供决策分析，同时对生产设备实时管控，从而提升企业生产车间管控水平，提高生产效率和产品质量。

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