高校智能制造实验平台管理系统设计

2020-12-23何蕾汪惠芬柳林燕高昀稷

微型电脑应用 2020年11期

关键词：S结构

何蕾汪惠芬柳林燕高昀稷

摘要：智能制造新形势下，高校作为自动化技术和现代化人才的培养摇篮，需要大力开发校内智能工厂实验室平台。基于此，智能制造实验平台应该充分利用当前物联网自动化物流技术，设计自动化生产流程，配备相应的硬件设备。同时在此基础上开发实验室管理系统;根据实验平台设备布局及生产流程。文章重点阐述开发该实验平台管理系统的思路，包括平台管理系统的需求分析、功能分析以及软件系统与底层设备集成研究，实现了实验平台信息化管理的初步探究。

关键词：智能工厂;实验室管理系统;C/S结构;OPC通讯

中图分类号：TP 3

文献标志码：A

文章编号：1007-757X（2020）11-0157-04

Abstract：Based on the intelligent manufacturing experimental teaching platform developed by colleges and universities in the new situation of intelligent manufacturing， this paper fully understands the development of intelligent laboratories at home and abroad， introduces the equipment layout and production process of the experimental platform， and focuses on the ideas for developing the experimental platform management system. This paper analyzes platform management system， functions and the integration of software system， and the underlying equipment research. It realizes the preliminary exploration of experimental platform information management.

Key words：smart factories;laboratory management system;C/S architecture;OPC newsletter

0 引言

随着信息化，大数据时代的到来，工业自动化技术发展迅速，各国制造业正将智能制造作为重点发展主题。自德国“工业4.0”理念在汉诺威工业博览会上正式推出后，就在全球引发了积极反响及各国不同形式下驱动的工业转型。我国国务院在2015年印发了《中国制造2025》。提出了未来一定时期内我国制造业发展的目标：到中国建国一百周年时，中国从制造大国成为世界一流的制造强国。按照《中国制造2025》的要求，要把智能制造作为制造业转型升级的重要突破口[1]。智能工厂就是实践工业化和信息化“两化融合”概念的发展载体，现已成为当前“智能制造2025”的建设和发展方向。南京理工大学CIMS教研室切合这一政策，提出构建智能制造实验平台，旨在结合物联网技术，自动化物流技术，模拟工厂运作流程，建立一条完整的生产线，引导学生通过实际操作，了解生产线流程及软硬件交互成果，进一步提高对智能制造的认知。本文研究内容即配合实验平台生产流程，研究当前软硬件集成通讯OPC技术和系统开发技术，对实验平台管理系统进行设计，协调生产过程，实时采集生产数据，跟踪生产进度，实现实验平台的生产智能化和管理信息化。

1 智能制造理念下的高校智能工厂实验平台建设

1.1 智能工厂概述

“工业4.0”概念下项目的一大主题就是智能工厂。智能工厂的构建包括智能化硬件设备和制造管理软件，同时融入了物联网技术、智能传感器技术、工业无线传感网技术、自动化物流技术、现场总线技术以及智能处理等技术到生产各个环节。结合现有的信息管理手段，实现复杂工业现场数据采集，优化生产线上线下调度方案，实现产品质量跟踪追溯，设备维护与诊断记录，生产过程跟踪等功能，实现制造全面智能化生产 [2]。

1.2 高校智能制造实验平台发展现状

目前，大部分的教学式生产线通常只关注生产制造的某一个环节，而基于工业4.0的智能工厂实验系统想要在实验平台内再现产品“从无到有”的设计、制造与管理的完整过程。因此，许多高校已经开始着手项目平台设施建设，同时已有高校初步完成该实验平台的搭建。2014年10月同济大学建设成立全国首家“工业4.0—智能工厂实验室”。该实验室配有操作机器人、加工设备、传送设备、检测设备等硬件构成高度自动化生产线，并由服务器、传感器、RFID、等设备构建信息物联网，通过上层软件将整个系统连接起来成为一个高度集成的CPS网络，实现了在制品与机器，人与机器之间的实时通讯及协同工作。天津大学电气与自动化实验中心已经建设了虚拟啤酒生产线，模拟了生产线中包括制麦、糖化、过滤、罐装、金检等18个部分，可为自动化专业的学生提供47项实验。在国外，意大利卡塔尼亚大学工程学院、华盛顿大学等一些顶尖高校均建立了开放的实验教学平台[3-4]。智能制造实验平台作为响应智能工厂的教学试验展示平台，对高校实验室建设、相关专业科研、以及对学生综合素质的培养都具有着重要的意义。

2 智能制造实验平台方案设计

2.1 实验平台总体搭建

2.1.1 实验平台总体布局

构建实验平台的目的在于建设一个校内智能实验平台，用于学生试验及供平台来访者体验简单直接的生产过程。平台以RFID卡片为原材料，设有6个生产工位，包括上下料机械手， AGV小车，RFID读写器，扫码枪，視觉检测仪，立体仓库等设备，完成原材料的生产加工，模拟一条完整生产线，同时运用物联网技术，自动化物流技术，提高产线的自动化程度。通过仿真软件，构建实验平台布局，如图1所示。

2.1.2 实验平台生产流程设计

因实验平台用作教学及成果展示，实验平台选用RFID卡片为加工原材料，根据来访者个人信息设计卡片图案并打印，共设六工位，完成原材料出入库、录入信息、打印图案、张贴标签、成品出入库等步骤的加工，完成生产过程的同时成品可用作纪念品给来访者留存。实验平台的生产模式分为单件生产和批量生产，主要不同在于其工艺路线制定，但不同生产模式最多涉及6个工位生产。基本生产布局，如图2所示。

实验平台生产流程，如图3所示。

2.2 实验平台管理系统需求分析

2.2.1 系统功能需求

根据实验平台的构建方案，对实验平台管理系统的功能需求进行分析，主要需求点如下。

1）实现生产信息同步：操作人员可以及时了解原材料信息，根据信息下发订单，同时实时查询订单完成进度;

2）物料状态监管：通过应用RFID技术，对生产过程进行物流跟踪，随时了解工件所处的工位和在制品状态;

3）提高管理人员作业效率：减弱或消除管理人员的重复工作，消除重复信息录入，减少手工汇总作业，提高信息处理准确性;

4）提供完善的实验车间设备运行记录：生成设备运行记录，包括运行路线，指令等，记录设备故障及维护记录，便于实验室设备管理;

5）车间生产数据采集：采集生产过程中的图像信息、RFID采集信息、在制品质量信息等，并做相应图表反馈。

2.2.2 系统开发需求

系统开发需求如下。

1）教学实用性：系统的工作流程设计灵活，学生和老师可以自主设计产品加工信息，工艺路线，并且可以对系统进行一些项目的开发与实现;

2）可靠性：保证运行过程中系统的稳定性和信息的可靠性;

3）可拓展性：充分考虑现有功能需求，在系统功能结构设计和软硬件配置、网络选型、结构设计、数据库设计方面预留可拓展空间，保证系统的灵活性、开放性和可拓展性;

4）易维护性：有便捷的用户界面，以便于系统管理人员维护和管理。

3 系统设计关键技术

3.1 软件架构选择

体系结构是指计算机各组成部分之间的相互关系，它的定义包含硬件、软件、算法和计算机语言多种概念。目前软件开发主流体系结构主要有B/S结构和C/S结构两种。两种体系结构各项性能对比，如表1所示[5]。

实验平台管理系统的应用环境是校内实验平台，应只允许局域网内访问操作，重要的是保证生产过程信息的传输速度和安全性。从表中不难看出，C/S结构从实验平台重视的的访问速度、安全性、和功能方面都比B/S结构更适合。因此，本实验平台管理系统采用C/S结构开发。

3.2 系统数据库设计

系统选用SqlServer数据库作为系统数据库。本实验平台系统主要包括管理员信息、订单信息、设备信息、生产过程数据以及物料出入库等信息的处理。数据库表设计的简洁度对软件开发过程中的数据处理难易程度至关重要，根据本平台数据类型，设计了用户信息表、订单信息表、生产过程信息表、设备信息表、库位及出入库记录表、质量统计信息表等主要库表。

3.3 基于OPC的软硬件集成技术

OPC（OLE For Process Control）是以OLE/COM机制作为连接数据源（OPC服務器）和数据的使用者（OPC应用程序）之间开放统一的嵌入式过程控制接口标准。客户端可以实现基于OPC协议与相应OPC服务器的上位机与控制器间的数据交换，OPC服务端可以直接与现场设备进行数据交换。现已被广泛应用于自动化控制领域及生产信息管理领域。实验平台OPC通讯示意图以及实验平台数据交换框架，如图4、图5所示。

通过OPC协议，是软件系统与生产现场设备通讯，实现数据采集的基本流程如下。

（1）创建服务器端连接：从客户端创建与服务器端连接的OPC服务对象，为对象创建OPC服务器连接;

（2）创建服务组：在服务器端为对象创建监控组，其中添加用户想要监控的点位;

（3）数据监控：设置周期值，对监控组的数据进行循环刷新;

（4）周期性存储：根据之前添加的点位，将点位监控值和当前监控时间记入数据库表。

4 实验平台管理系统详细设计

4.1 系统体系结构

系统采用C/S结构，以Visual Studio 2017为开发环境，分数据层（DAL）、业务层（BLL）和表示层（UI）三层开发，表示层是用户界面层，即用于操作的可视化界面，UI层采用.net平台winform窗体开发， Winform可调用各类控件设计窗体界面，创建丰富的基于Windows的应用程序;业务层是后台对页面操作的逻辑处理层，包括实体类和DAO数据访问对象，数据访问对象为实体对象提供连接数据层的接口方法;数据层采用ado.net数据访问技术用于对数据库的访问及提供对数据的增、删、改、查基本操作方法。

4.2 系统功能模块设计

根据实验平台管理系统功能需求，将管理系统功能分为六个模块设计，如图6所示。

1）基础信息管理模块

主要是对基本信息的定义和管理，设有系统管理、库位定义和工艺路线制定几个子模块。其中，系统管理子模块主要负责用户的增删改及用户密码权限管理等，库位定义是对仓库的基本信息作介绍，工艺路线制定是针对单个生产和批量生产进行的不同的工艺路线制定，用于订单下达时的工艺路线选择，其对应路线代码也会下达给设备。

2）订单管理模块

订单来源于来访者的录入信息，下达时会生成出库准备单，同时将相应的工艺路线下发给设备，该模块可查询所有订单及其完成状态、所需物料等。

3）仓库管理模块

主要是对仓库的库存管理及统计，记录原材料和成品的出入库，以及统计库存，便于订单下达时的出库准备等。

4）生产跟踪模块

设有生产执行控制、生产可视化及生产进度查询子模块，生产执行控制模块主要是针对异常订单的加工过程，进行生产路线修改、订单回收等操作，生产过程可视化是对生产过程实时视频信息的采集与展示，生产进度查询是利用RFID识别技术，跟踪生产过程，了解产品的实时生产位置等。

5）设备管理模块

设有设备信息管理、设备维护记录和设备运行记录子模块，主要是实现对设备的基本信息管理，运行状态掌握和维护信息记录。

6）质量管理模块

主要包括生产过程中产品及设备的质量记录和生产数据的统计分析。

4.3 系统实现

本文设计的智能实验平台管理系统主要实现实验平台生产订单管理，原材料出入库管理，及与底层硬件设备集成，实现生产过程跟踪等功能。下面以用户管理和订单管理为例，从流程图和部分代码阐述开发实现过程。

以系统管理模块用户管理功能为例的操作流程，主要实现对用户的增删改操作，如图7所示。

订单管理模块操作流程图，执行订单的增删改操作，如图8所示。

以订单录入为例，实现代码如下。

（txtOrderName.Text==string.Empty||txtOrderID.Text==string.Empty||txtClientName.Text==string.Empty）{MessageBox.Show（"重要信息不能为空"）;

return;}

stringsql=string.Format（"insert into ProductInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ProductID，ProductKind，ClientName，ClientInfo） values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'，'{6}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductID.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text，txtClientInfo.Text）;

stringsql1=string.Format（"insert into OrderInfo（OrderName，OrderID，MaterialName，ClientName，ClientInfo，Contact）values（'{0}'，'{1}'，'{2}'，'{3}'，'{4}'，'{5}'）"，

txtOrderName.Text，txtOrderID.Text，cboMaterialName.SelectedText，cboProductType.SelectedText，txtClientName.Text， txtClientInfo.Text， txtClientContact.Text）;

int i = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql）;

int t = DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery（sql1）;

if （i > 0 && t > 0）

{MessageBox.Show（"添加成功"）;

clearText（）;}

else

{MessageBox.Show（"操作失敗"）;}

return;

其中，DAL.SQLHelper.ExcuteNonQuery表示对数据库的添加执行。

5 总结

高校基于当前制造业发展的主要趋势及提升制造水平的重要方式，向智能工厂模式看齐，着手打造学校智能化实验平台，同时提高对制造过程的智能化、自动化研究。本文研究内容结合当前的自动化物流技术，实验平台构建设想，完成了对该平台管理系统的需求及功能设计，并完成了对主要功能的开发和实现。

参考文献