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面向定形机的集中控制管理系统设计与实践2020-07-23佛山市三技精密机械有限公司 韦 帅 林志鹏 陈红军 摘要：为了解决定形机的集中管控、系统集成以及数据管理的问题，提出了一种定形机集中控制管理统设计方案。基于模块化设计方法、数据库技术以及网络通信技术，搭建了系统总体框架；设计了基于OC UA的网络拓扑以实现机台组网；描述了设备管理、数据采集与监控、排产管理、能耗统计分析等主功能的设计原理。实际应用表明，该系统功能完整度高，适应性好，具有较高的灵活度与开放性，能够迅速实现机台组网，并可以方便地与第三方信息系统进行整合。应用该系统后，设备利用率、生产效率、源消耗以及人工成本等方面得到了明显改善。 定形机是染整生产过程中的关键设备之一，虽然其在单机的控制上已基本实现了自动化，但目前车间里的定形机设备仍处于离散管控的状态，没有实现集中控制，数据无法上传下达，不能与上层管理系统进行交互，自动化的生产过程管理难以实现。在当前智能制造的背景下，车间及工厂数字化建设已成趋势，而一套专用的集中管控系统是实现定形机车间数字化的基础。 专用的设备集中管控系统在实现设备的集中控制、生产全流程数字化管理的过程中发挥着重要的作用。其利用现场总线、工业以太网等技术对分散的现场设备进行组网[6]，实现设备数据采集，并通过OPC UA等标准实现与设备的互操作。利用数据库技术对生产中的工艺参数、运行状态等进行持久化管理，实现生产过程追溯。结合了特定生产方式及工艺要求的专有生产排程管理系统可以实现自动化的生产排程。集成的设备综合效率(OEE)分析、能源管理、预维护等功能，可帮助提升设备的性能与预期寿命。此外，还利用工业物联网等技术来帮助实现设备的云端管控。 本文从定形机集中控制与信息集成应用的实际需求出发，设计了适用于定形机的集中控制管理系统，进行了系统架构搭建，完成了全功能开发，并在实际应用中进行了验证。 1 系统总体设计 1.1 系统总体架构 定形机集中控制管理系统的主体是基于Windows平台开发的一套软件系统，运行在专用的工业服务器上，其架构主要包含了3部分内容：组件管理、数据管理以及通信管理。 1.1.1 组件管理 组件管理用于对系统中的功能组件进行管理与控制，各组件均采用模块化设计，模块独立运行，模块之间无直接关联，统一通过组件管理器进行交互，极大程度地降低了系统的耦合性。各功能模块可以独立授权管理，系统启动时，组件管理器根据授权状态去加载相应的组件。 系统包含了设备监控、能耗分析、排产管理、配方管理、报表管理、输料管理、维保管理、可视化、报警管理以及用户管理等功能组件。 1.1.2 数据管理 数据管理主要基于SQL Server数据库实现。系统中的数据按照功能定义可以分为配置数据、归档数据、交互数据等三大类别。其中配置数据主要包含系统及机台的配置信息，例如系统的授权状态、账户信息，各机台的IP地址、设备型号、设备名称等，该类信息多为静态数据，通常在系统调试完成后不再进行更改。 归档数据主要包含需要进行持久存储的过程变量或者工艺参数，例如各机台的运行参数、配方数据、排产记录、历史报警信息等，该类数据需要持久保存，以供后续查阅。 交互数据主要用于与外部应用程序进行交互，例如与ERP系统进行交互从而实现自动排产，与助剂输送系统进行交互从而实现自动注料，该类数据通常为临时数据，完成一次交互后便会失效。由于交互类数据需要被外部访问，为了保证数据安全性，需要将其放置于独立的数据库中，并提供专用的访问账户。 1.1.3 通信管理 通信管理包含两个方面，一是实现与生产现场各机台的组网通信，二是实现与ERP、物联网云平台、应用客户端以及生产看板等外部系统进行交互。 考虑到OPC UA的先进性，以及越来越多的PLC集成了OPC服务器，因此采用OPC UA来进行组网。系统中集成了OPC UA服务，通过客户端与各机台中的OPC UA服务器建立连接，从而实现互操作。采用这种通信方式，可以极大程度地降低组网的成本与周期。 提供了3种与外部系统通信的方式：ODBC、MQTT以及WEB访问。系统提供了专用的外部访问数据库，外部应用可以通过ODBC直接进行访问。这种方式适用于与局域网内的第三方系统（如ERP、输料系统等）进行交互，具有较高的安全性、灵活性与实时性。针对公网访问的需求，例如工业物联网云平台系统对设备数据的访问，提供了MQTT API(C／C++／C#)的访问方式，可支持整形、浮点以及字符类型的数据传输，通过调用API，位于公网的云平台系统可以实现设备的远程监控与管理。对于应用客户端及可视化看板的访问，则采用B/S架构，用户在局域网内通过终端上的浏览器，便可对系统进行操作。 1.2 系统网络拓扑 典型的定形机控制系统由PLC、I/O及HMI组成，其中PLC是控制系统的核心，用于对定形机进行连续控制，相应的过程变量也存储其中，因此，在进行组网设计时，通常是利用PLC作为网络节点。市场上中高端的定形机产品多数配置的是西门子S7系列PLC，例如S7-300、S7-1500等，这类PLC 功能强大，接口丰富，提供了多种通讯协议，可以直接利用基于以太网的协议来进行组网，连接方便，配置简单。而低端定形机产品则多数配置的是国产小型PLC，这类PLC通信能力较弱，基本只提供串口通信方式，因此在与上位机进行组网时，通常需加装网关或者协议转换器。 系统的网络拓扑如图2所示，为了兼容车间里不同类型的定形机，提供了多种组网方式。对于集成了双口交换机的定形机PLC，可以采用菊花链式连接方式，将各机台串列起来后直接接入局域网与集中控制管理服务器进行通信：对于只提供了单网口的PLC，可以采用星型连接方式，将邻近机台一起接入交换机后，再统一接入局域网；对于只提供了RS-485/RS-232等接口的PLC，可以先利用ModbusRTU等协议进行组网，通过协议转换网关处理后再接入局域网与中控服务器进行通信。 集中控制管理服务器采用OPC UA与各机台进行通信，对于不支持OPC UA的机台，可利用协议转换网关来进行中转。根据现场机台的数量，可以选择不同配置的服务器，单台服务器最多可支持64个机台的接入。 2 主要功能设计 2.1 设备管理 设备管理功能可以实时在线监控所有机台的运行状态，当异常情况发生时可在第一时间通知管理人员。此外，通过长期采集与分析机台的运行及生产数据，可以计算其设备综合效率(OEE)。 标准的OEE计算方法通过统计机台的作业时间，能够轻松地计算出其时间开动率：根据排产及批次实际生产数据，可以计算其性能开动率；结合排产情况与QC结果，可以计算其质量合格率。OEE是针对生产设备的操作、维护和管理的组合，涉及到不同的生产要素，通过OEE，可以分析时间、效率及质量损失的原因，最大化地提高设备生产力。 设备管理模块还集成了维保系统，可以定期或者根据一定条件提出保养计划，并提醒管理人员执行。对于一些日常的保养，例如除尘、加润滑油等，可以按照定期执行的方式，预先在系统中输入维保项目及周期，系统便会自动生产一份周期性地维保计划。对于像损耗件更换这类项目，则可以按照条件执行的方式，预先在系统中设定好条件（例如可以通过统计机台的时间运转时间来决定何时更换某零件），临近达到条件时，系统将会提前制定维保计划。 2.2 数据采集与监控 通过与各机台的PLC建立OPC UA连接，根据预先配置好的参数列表，服务器便可以实时地从各机台读取数据。可从机台读取的数据多为实际的运行数据，例如主链速度、幅宽、超喂、每节烘箱的温度、风机速度、布面湿度等。服务器以1s的周期实时从各机台读取运行参数，并显示在界面上，同时，后台程序还会以30s的周期对这些数据进行存档操作，并持久保存在数据库中，以方便后续进行问题追溯。 以相应的权限登陆系统后，还可以进行机台数据的写操作，例如可以实时改写主链速度、烘箱温度等工艺参数，实现远程操控，可以帮助生产管理人员提升问题处理的效率、扩大管控范围。 2.3 排产管理 设计了手动和自动两种排产方式。采用手动排产方式，需要操作人员录入批次号、工艺参数，并指定生产机台以及生产时间。采用自动排产，则排产系统会自动从ERP接收生产指令，并根据订单、批次及机台的情况进行规划，合理安排生产机台以及生产时间，当满足生产条件时，则会自动将工艺参数下发到机台，并开始生产。 在自动排产流程中，最关键的步骤是生产约束条件计算，如图6所示。自动排产调度的约束条件包括以下几个方面。 a．工艺要求约束：不同型号的机台其规格有所差别，所能满足的工艺要求也不一样，例如幅宽范围、最大行机速度、烘箱节数、最高温度，甚至包括生产品质，因此其所适应的品种会有所差别。在排产时，首先需要排除不能满足工艺要求的机台，将满足要求的机台放入到可选集合内。 b．机台维保约束：机台需要定期进行维护或者保养，此段时间内为不可用状态，需要合理避开。此外，当机台突然出现故障需要安排维修时，所指派的待产工单也需要重新进行规划，避开维修时间。 c．拆缸约束：当一个订单拆分为多个批次生产时，为了保证大货质量的一致性，同一订单的批次尽量安排到规格接近的机台生产。当上道工序拆分的批次同时进行排产时，尽量安排到同一机台连续生产。 d．并缸约束：当多个订单需要合并到一个批次生产时，必须要保证各订单为同类产品，工艺要求一致。 e．工序约束：在规划批次执行时间时，必须要保证其前道工序已经完成，且已完成定形前的准备工作，否则需要延迟生产时间。 f.优先级约束：加急订单、临近交期或者已延误订单需优先安排。 g．换班换单约束：批次开始及结束的时间应尽量避开换班时间，以提高生产效率。此外，还需要尽量避免大量订单在同一时刻开始或者结束，防止工人资源冲突。 排产的功能界面可以直观地了解当前订单的排产状况、在线订单的生产状态，以及已完成订单信息的查询。同时当出现异常情况时，还可以进行人工干预，以保证订单的顺利生产。 2.4 能耗统计 定形机主要的能源介质为电、蒸汽或者天然气，通过在机台加装电表或者流量计；PLC便可以实时读取能耗值，集中控制管理系统通过数据采集功能，便可以将各机台的能耗数据读取并存储到服务器中。通常各种能源仪表输出的是累积值，因此系统需要结合日历以及排产信息，才能够按日、月、季、年，或者按批次、订单统计相应的能耗数据。 系统会将各机台的能耗与参考值进行对比，标记出能耗异常的机台，以提醒管理人员进行排查。同时，将同类型机台的能耗数据进行排序，重点突出能耗表现优秀的机台，帮助设备管理人员或者设备制造商进行能耗优化时提供参考。 此外，按批次、订单统计的能耗数据可以同步到ERP系统中，从而准确计算出订单的能耗成本，方便进行成本核算。 3 应用与分析 企业A共有拉幅定形机8台，分布在二个不同的车间，所有机台均支持OPC UA，其中一个车间内无局境网接入端口。项目实施周期共6个工作日，其中网络部署用时3个工作日，系统调试用时2个工作日，培训用时1个工作日。项目实施后，利用数据追溯功能，解决了以往产品瑕疵难以分析定位的问题，同时充分利用维保管理功能，大幅降低了设备的故障发生率。 企业B共有拉幅定形机17台，车间内分布有局域网接入端口，部分旧机台不支持OPC UA，需加装协议转换网关，系统需要与ERP及助剂输送系统集成。项目实施周期共十三工作日，其中网络部署用时五个工作日，系统集成调试用时七个工作日，培训用时一个工作日。项目实施后，企业实现了自动化的生产任务规划及生产过程管理，与实施前对比，设备利用率提高约30%，生产效率提高约20%，现场人工减少25%。 多个现场的实际应用表面，该系统能够快速适配不同型号的机台、快速适应不同的应用场景，现场组网方案灵活，调试简单，系统功能完善度高，开放性好，能够快速与第三方系统集成。应用该系统后，能够集中管理分布在车间各处的机台，提高了现场透明度和管控能力；通过对机台的运行状况及能耗数据进行分析，可帮助改善设备性能，提高机台利用率，降低能源消耗；实现了数据的上传下达，使得建设数字化的生产流程成为可能。 4 结束语 设计了一种定型机集中控制管理系统，其采用了模块化的设计方法，对设备管理、数据采集与监控、排产管理、能耗统计等多个功能模块进行了整合；采用OPC UA对机台进行组网，并提供了ODBC、MQTT、HTTP等访问方式以便与外部信息系统进行集成。该系统功能完成度高，现场组网及调试简单，开放性好。多个应用案例表明，该系统能够实现对机台的集中管控，帮助企业实现自动化的生产与管理流程，提高生产效率与质量，降低综合成本，可在染整智能制造建设过程中发挥重要作用 参考文献 [1] 李瑞萍．中国印染行业发展现状及未来趋势[J].染料与染色，2015 (2): 52-62. [2] 胡旭东，沈春娅．针织行业的智能制造及其实践[J].针织工业，2019(8):1-6. [3] Kusters D, PraB N, Gloy Y S.Textile Learning Factory 4.0 - Preparing Germany's Textile Industry for the Digital Future[J]. Procedia Manufacturing, 2017(9):214-221. [4] 周亚勤，汪俊亮，鲍劲松，等．纺织智能制造标准体系架构研究与实现[J]．纺织学报，2019, 40(4): 145-151. [5] 朱冬兰.“智能信息自动化动态管控系统”在印染企业中的应用[J].染整技术，2016, 38(1): 59-62.（略） |