数字化车间生产现场数据采集与智能管理探析

罗书明

（宁波芯健半导体有限公司 浙江 宁波 315327）

0 引言

新经济常态下，制造业迅速发展，不断地向着现代化、数字化与信息化的方向发展。对于制造企业而言，数字化车间建立是重点，除了能够对车间制造数据信息进行实时收集之外，还能够智能化管理整个生产制造过程。对现阶段数字化车间生产状况进行分析能够发现，数据采集与智能管理为了能够达到预期，虽然在思想上得以有效转变，然而具体工作中依然存在各种不足之处[1]。对此，以数字化车间为基础，构建采集与智能管理系统尤为必要。

1 数字化车间概述

数字化车间，指的是将产品整体生命期等数据作为依据，并借助计算机技术，构建虚拟工作环境，仿真、评估与优化具体生产过程的相关操作，是一种较为新颖的生产方式[1]。在制造生产时采用数字化车间，除了能够结合虚拟环境对产品生产过程进行模拟之外，还能够保证生产质量安全。

2 车间数据采集与系统采用的物联技术

2.1 车间数据采集分析

通过自动化设备开展数据采集工作。利用条码读写器、嵌入式采集终端、射频识别（RFID）读写器以及光电磁、温度等相关技术，对信息载体进行自动识别，然后再运用系统内部解析系统，把得到的数据向指定位置进行传输。此过程中，条码读写器主要在成本管理中予以运用，由于条码属于唯一的，明确之后，那么成品内部的全部信息也随之确定，所以存储动态的制造过程数据时，通常不会采取条码的方式，而是贴在产品外包装上，进而自动识别箱内物料。就RFID标签而言，涉及容量大、存储数字信息多元化的特点，所以RFID读写器在动态与静态数据的读写方面最为适用。随着数控伺服系统的不断发展，操作人员能够通过设备终端接口对相关数据进行获取。数控机床、可编程逻辑控制器（PLC）以及加工机器人等，属于最为常见的设备终端。利用分布式组件对象模型（DCOM）技术和OLE for Process Control（OPC）标准，可以构建相互操作的控制系统。通过OPC接口与有关软件配置，然后再运用上位机就能够实时对机床数据进行采集。

2.2 物联网RFID技术

自动识别技术属于物联网数据采集的主要方式，涉及卡识别、射频识别、光信号识别以及条码识别。对于以上识别技术而言，RFID表现为整合无线通信、计算机以及网络等相关技术。和其他技术相比，RFID技术包含许多优点：（1）识别精确度高，可以迅速对识别对象予以精准识别；（2）无线射频技术不依赖光源，可以直接透过外部材料识别相关数据；（3）能够嵌入到不同形式和类型的产品中，实时跟踪包含RFID标签的产品，并定位；（4）可以对多个物体进行同时识别，且信息碰撞与干扰的解决方式较为灵活；（5）存在信息存储量大的特点，可以存储与识别各类动态数据。所以，在物联网中RFID射频识别技术发挥着极其关键的作用，属于物联网顺利实现的核心技术。

3 数字车间智能管理技术架构

数字车间物联网基本体系见图1。物联网技术中，传感器与射频识别技术较为常见。制造企业积极引入物联网技术，各车间之间能够互联互通，实时自动采集监控对象信息。同时，企业引入互联网技术构建职能网络，针对不同类型的数据能够迅速、安全地传输与处理，且对数控设备、生产计划、工艺流程等形成的数据进行有效管理，为车间制造管理给予可靠、准确的数据支撑[2]。另外，立足于互联网与物联网技术，可全方位感知整个制造过程中所产生的数据，并实时传输与运用，集成各种数据，并同相关监控系统连接与共享，全方位管理与控制产品整个生命过程。

4 现阶段企业制造车间生产情况

近年来，制造企业在发展过程中，生产应用技术与管理能力等均实现较好的提升。对此，企业要想在市场竞争中占据更加有利的位置，就需要提高生产车间投资。同时，随着Enterprise Resource Planning（ERP）和Manufacturing Execution System（MES）等相关信息管理系统的普及，车间在生产方面的信息需求量逐渐升高。为了能够对车间生产过程实现全面管控，需确保制造阶段数控设备状态数据能够实时采集与传递，达到智能管理目标。但是，通过分析现阶段制造企业运转状况可知，其主要涉及以下问题：（1）缺乏统一管理。当前，只有少部分机床拥有通信功能，且便于员工采集各类数据，而大部分数控设备不存在此功能，除了无法和计算机系统进行连接之外，还会对加工生产工作监管效率产生影响；（2）未统一联网。要想推动制造企业向着数字化以及现代化的方向进行发展，应促进数据采集水平的提高，保证车间涉及的各类设备能够在联网的状态下收集相关数据信息。但现阶段机器设备只有串口服务器采集数据功能，成本较高，具体操作不灵活；（3）难以监管设备状态。在工作状态中，员工难以对数控机床信息数据进行及时的掌控，诸如故障和加工质量等，这样除了难以提高设备工作效率之外，还会对产品生产质量造成影响。

5 数字化车间生产现场的数据分析及管理需求

5.1 数据分析

对现阶段制造企业车间工作状况进行分析能够发现，因为涉及许多数据类型，使得采集方式会存在一定的差异，并且需要分类采集和管理数据。通常情况下，车间制造数据包含以下几类：（1）静态。静态数据一般不会出现变化，诸如物料信息、产品名称、人员信息等；（2）动态。动态数据会在制造过程中出现改变，需要及时进行采集，诸如加工状况和计划进度等；（3）中间。中间数据表现为处理以上两种数据之后得到的数据，为接下来的制造工作提供可靠数据。

5.2 管理需求

对制造企业发展目标进行深入了解与掌握现场生产所需后，智能管理系统能够对整个数控设备实际运行情况进行全过程、全方位控制，同时增强对加工过程数据的收集，并能够共享企业资源计划系统[3]。通常情况下，管理系统功能应基本如下几点：（1）计算机平台能够顺利地连接车间数控设备，可有效提高数控设备管理效率及质量；（2）对数控设备相关联的数据进行实时采集，如开关机、故障信息、报警等；（3）对数控机床运行状况进行监管，保证车间生产工作能够稳定、高效的运转；（4）对数控机床控制相关数据信息进行全面统计，保障管理者可研究出更科学、更合理的决策；（5）若数控设备发出警告，需要通过系统对故障位置、类型、次数、时间等相关信息进行研究，并迅速把有价值的数据信息传递给管理者，保证他们能够及时制定处理措施。

6 制造过程数据采集与智能管理系统设计

6.1 系统整体架构

通过分析数字化车间现场数据，精心设计现场数据采集技术系统的主要架构。对于此系统架构而言，由车间层、数据层、管理层构成。其中，车间层主要对车间生产现场所产生的数据进行广泛采集与传输，相关数据采集设备主要包括传感器、RFID、加工设备等；数据层作用在于整合集成车间生产现场采集到的相关数据，数据集成指的是对数据开展关联运算、统一建模、标准化封装等程序处理，然后结合数据特点与用途予以存储，与其他系统共享数据；管理层的作用表现为结合车间生产实际需求，调取数据库中的数据，并采取合理的分析方式，以便于管理层、决策人员做出正确的决策。

6.2 系统软件结构

本数据采集系统在软件结构方面涉及C/S（Client/Server）与B/S（Browser/Server）两个方面。

首先，C/S架构。指的是客户端/服务器的一种架构模式，需立足于正确的设计，通过客户端软件本地处理用户业务逻辑、图像画面等。针对客户端来讲，为了能够顺利地给予访问支持，也可迅速交换数据，可在服务器与客户端中引入TCP/IP协议的Socket接口连接作为基础，在这一服务软件中用户能够同其他客户端进行数据交换[4]。一般状况下，为了能够同时管理、存储与共享多个客户端的数据，服务器软件应和数据库之间配合。此结构的优点表现为能够在本地运行主要业务，可减少额外通信相关支出，且可高效率响应。所以，客户端应设计多样化界面及多种功能任务。缺陷则是用户同服务器交换数据时，需安装客户端软件，对于客户端硬件有一定要求，系统维护不便，若服务器新增功能，则及时更新客户端，促使其能够积极适应服务端的各种变化。

其次，B/S架构。此架构为浏览器/服务器形式。对于该架构形式而言，指的是将信息技术作为基础，优化传统C/S架构之后所形成的一种形式，特征表现在用户可借助互联网浏览器能在服务器端上获取交互界面，且在本地浏览器中更新UI界面及一些事物逻辑，服务器端则能够对重点事物逻辑进行重点处理，处理后将新交互界面迅速传输到用户端，进而构建起MVC（Model-View-Controller）结构，然后在运用各种脚本语言与浏览器容器中，可借助服务器对用户业务进行迅速处理。就本地硬件和复杂的业务逻辑而言，能够利用Active X控制达到交互工作的目标。和C/S架构相比之下，这属于一种全新的软件结构，客户不必对客户端软件进行安装，运用浏览器就可以完成软件才可以实现的功能，积极迎合了社会大众的需求。如果改变了浏览器各种应用，也不会影响用户，使得用户感知度得到了提高。

6.3 智能管理系统网络架构

通过分析现阶段数字化车间在生产方面的状况能够了解到，每台数控机床均会在网络布线中设计RJ45网口。对于不同类型的机床设备而言，能够选择的信息采集方式主要涉及电气电路信号、串口宏指令、DNC网口，最终在交换机的引导下，顺利传输到数据服务器层。作为系统在运行过程中的重点，数据管理服务器除了能够和机床、采集器等实现实时交互之外，还能够开展数据处理和存储等相关工作。此过程中，数据服务器与车间设备对信息进行传递时，会将Modbus协议作为基础进行操作。

另外，客户端软件应向数据库服务器提出请求，进而实时管控数控设备的工作状况，并对不同阶段的数据信息进行查阅，并管控企业系统、机床设备、员工的信息，以及修改、删除、调查机床基本数据。此软件需要将Web Socket服务器包含的各类网络技术作为基础，对车间层的数据进行获取之后，向数据库服务器进行传输，进而达到实时监管的目的。同时，智能管理系统也涉及Internet 网络管理服务，相关管理工作人员能够凭借对应的用户名以及密码，登录系统内部，这样除了能够对数控机床设备运行状况进行及时了解之外，还能够顺利找出潜在安全问题。随着网络技术的不断发展和更新，与软件系统架构相关的模式逐渐增多，诸如前文提到的，C/S架构和B/S架构，这两种架构属于现阶段市场中运用最为广泛的类型，除了具备各自的优势之外，应用价值也极高。因此，对数字化车间生产现场智能管理系统进行设计的过程中，需要将开发维护、硬件投资、企业后续发展等相关方面作为立足点，运用优势更强的B/S架构，实现对浏览器的远程监控，并对处理之后的数据信息进行实时呈现，保证企业管理工作人员能够提出准确且完善的发展决策。

6.4 车间异构数据采集方案硬件设计

为了能够妥善处理车间生产现场异构数据采集这一典型问题，需结合生产车间数据种类，运用自动识别技术和传感器技术、加工设备物联网技术等，对生产现场所产生的一系列数据进行全面采集。（1）自动识别技术。对于此技术而言，主要涉及RFID技术和条形码技术等，引入这两种技术能够对产品设计有关数据进行准确识别，如物料采集、人员信息、设备信息等；（2）传感器技术。车间生产时，外部环境对产品质量的影响较为明显，传感器技术可基于以太网和数据服务器进行连接，实时采集生产数据，并监控车间情况，重点采集生产过程的温度、湿度、电磁等；（3）加工设备联网技术。基于车间具体状况，能够将加工设备划分成数控机床和其他设备。现阶段，数控机床传输接口包含无通讯接口、串行口与网口。其他设备主要为热处理设备、测试设备等，传输接口以RS-232-RJ45为主，可对生产现场各种数据进行全面采集。

6.5 系统物理架构设计

对于数字化车间生产现场数据采集系统而言，其物理架构设计中的每个车间均包含制造工作站、库房等相关结构，不同单元硬件设备可借助工业以太网连接方式，逐渐形成车间局域网，然后再和交换机连接，最终连接到公司主干网络中[5]。同时，构建通信链路让车间层能够访问上层ERP服务器、数据采集器、CAPP/PDM数据服务器。此过程中，中间件提交的EPC码解析主要由ONS服务器进行负责，这同互联网域名解析DNS服务比较相似。针对RFID系统来讲，ONS服务器可以通过发布指令的方式，让中间件访问企业内部服务器，这一服务器充分体现了RFID中间件产品存储的有关信息。借助ONS服务器能够借助开环应用系统对外协件信息进行查询。对于数字化车间管理系统而言，工作的下机位发挥着至关重要的作用，不仅能够为各用户提供所需页面，同时受理用户请求并显示提交结果之外，还属于软件中间件的载体，肩负着基于用户指令迅速发出控制底层硬件设备的命名，并同底层设备相连接，向上层数据处理器及时反馈结果。利用车间的无线网络，用户可以随时运用移动终端设备对企业内部网络进行访问。并且，用户利用手机APP软件，也能够凭借4G网络等，和管理服务器、数据采集器等进行连接，便于用户采集车间现场数据，对车间生产情况进行全面掌控。

7 结语

综上所述，基于制造企业车间生产现场所产生的各种问题，可采取建立数据采集和智能管理系统架构的方式，不仅无需受到传统管理模式的影响，还能够提高生产加工水平。所以，新时代背景下，制造企业应重点关注数字化车间生产工作，结合大量工作时间，积极引入最新的现代化理念与技术，进而构建起更加适宜的技术架构，有力地促进制造业可持续健康发展。