面向数字化车间的SCADA系统设计开发

陈轩，孔建寿，彭忆炎

(南京理工大学 自动化学院，江苏 南京 210094)

0 引言

长期以来我国制造业的车间信息化建设秉持着以信息化手段辅助生产的方式进行，企业车间内部呈现出工业化技术和信息化技术独立发展的两条路线。伴随着工业化进程的不断推进，逐渐暴露出这两条技术路线发展脱节的现象，即现有的信息管理系统与实际的工业现场控制难以结合和统一。随着德国“工业4.0”[1]概念的提出，智能制造成为全球制造业的研究热点，柔性制造、敏捷制造[2-3]、数字化车间[4]等先进制造理念层出不穷。为此我国制定了以两化融合为主线的“中国制造2025”计划[5]，旨在完成制造业向智能化的顺利转型。

数字化车间建设是践行两化融合的重要技术手段[6]，发展MES技术是提升车间数字化水平的有效途径[7]。自20世纪80年代我国宝钢集团首次从西门子引入MES系统[8]以来，MES系统在我国流程型制造企业中得到了广泛应用并已趋于成熟，它为用户营造了一个可视、实时、精细、可追溯的制造环境[9]，在企业的数字化车间建设中发挥着重要作用。但是由于离散制造业工艺复杂多变、生产过程数据庞杂、底层自动化水平差别大[10]等特点，导致MES系统在实际应用过程中依然面临着制造过程可视化、实时化、精细化管理等诸多难题[11]。这必将阻碍我国制造业数字化车间的整体建设进程。

为此本文提出了基于MES技术的数字化车间建设框架，并设计开发了车间SCADA系统，以解决离散制造企业车间生产过程监控问题，推动数字化车间建设的全面落实。

1 离散制造车间中存在的问题

调研发现离散制造企业加工车间存在的问题如下：

1) 设备联网没有全面实施，不能监控车间设备运行状态，难以提高设备利用率以及优化车间整体生产性能。

2) 部分产品的工艺要求较高，其质量容易受加工环境影响，环境条件不达标往往造成产品合格率低、废品率高或返修情况严重等现象。

3) 计划执行情况主要通过纸质文档作为载体，依赖人工收集，效率低下。

4) 产品质量管理大多采取事后检验的方式，缺乏产品加工过程中各环节的实时质量信息，不能及时避免出现异常的加工环节对最终产品质量的影响。

根据以上几点可以将离散制造企业车间中存在的问题归纳为：现有的信息管理系统缺乏对车间设备运行状态、加工环境、生产进度和质量方面的数字化监控。

2 数字化车间构建框架

本文针对上述问题提出以MES系统为核心的数字化车间构建框架，分为车间SCADA层、MES核心功能层、系统外部集成框架和接口层以及企业其他信息层等，如图1所示。

图1 数字化车间建设框架

车间SCADA层凭借传感器、智能仪表、数控机床、条码/RFID自动识别、工业以太网、智能控制网络等先进技术手段，实现生产过程监控以及制造资源的互联互通，并为MES系统设备管理、进度管理、质量管理等功能模块提供数据支撑。MES核心功能层通过系统外部集成框架和接口与ERP、PDM、CAPP等信息系统进行交互，统筹整个车间的生产执行过程。

3 车间SCADA系统体系结构

依托数字化车间框架所设计的SCADA系统位于数字化车间框架的车间SCADA层，它是一个针对产品生命周期进行多方位监控的系统，涵盖生产进度、设备运行状态、加工环境、产品质量等多项生产过程信息的实时监测，并能够实现车间设备控制、环境参数调节、质量控制等功能，其体系结构如图2所示。由于车间内数控机床、智能仪表种类繁多，为了实现异构设备的信息集成以及控制指令的下达，设计在每个工位安装一台工位机，由工位机对一个工位的加工单元进行综合控制。

图2 车间SCADA系统体系结构

设备层中需要采集的信息包括机床生产任务信息、设备运行状态信息、报警信息、环境参数信息、质量信息、物料状态信息等。其中物料状态信息由射频识别器或条码识别器进行采集并直接上传给服务器，其他信息由安装在各个工位的工位机进行采集。工位机一方面进行机床生产任务信息、设备运行状态信息、报警信息、环境参数信息、质量信息的采集上传，另一方面将SCADA系统的控制指令下达给相应设备。在车间的监控中心安装车间SCADA系统客户端，车间管理人员可以通过客户端实现对车间生产活动的监视，并根据需求对车间生产设备进行远程控制。

4 车间SCADA系统功能设计

为了满足离散制造车间生产过程监控需求，将车间SCADA系统的功能模块划分为实时监控、数据查询和统计分析3个部分，如图3所示。

图3 车间SCADA系统功能模块

1) 实时监控模块。设备监控模块可以对车间数控机床运行状态进行实时监测，还可以对机床进行远程遥控。环境监控模块可以实时显示车间当前加工环境参数信息以及一段时间内车间环境参数的变化情况，并能够依据制造工艺需求对环境参数进行设定。生产进度监控模块能够实时监控主计划进度、作业计划进度、工序进度。质量监控模块能够依据样本的质量信息判断当前工序的产品质量是否处于受控状态，如果产品质量进入非受控状态则进行预警。

2) 数据查询模块。提供产品生产状态查询、能耗信息查询、告警信息查询功能。

3) 统计分析模块。主要是对车间生产过程信息进行综合处理，包括对车间设备利用率分析、计划完成率统计、产品合格率统计等方面。

5 系统开发

5.1 应用层通信协议

车间SCADA系统需要传输大量的实时数据和控制指令，却缺乏一套标准的通信规约。为此本文结合SCADA系统应用特点，对OSI参考模型进行简化重组，将原有的7层模型精简为物理层、数据链路层和应用层3层，并利用winsock[12]实现基于TCP的客户端服务器通信。系统应用层通信协议中的电文可以分为3类，分别是应用电文、自动应答电文和心跳电文3种电文，其中应用电文细分为数据电文和控制电文2种。数据电文用于传递数据信息，分为环境数据电文、机床状态数据电文、物料状态数据电文、质量数据电文、NC程序数据电文等。控制电文用于控制指令的下达，分为环境控制电文和机床状态控制电文。

以应用电文为例进行电文格式说明，控制电文具体格式如表1所示。控制电文中以发送主机代码、接收主机代码和功能码共同决定电文用途，主机代码可以自定义，例如以“JC”代表机床、“HJ”代表环境、“WL”代表物料、“FW”代表服务器等。功能码用来区分电文功能，例如“01”表示机床控制电文，“02”表示环境控制电文。设备ID为用户分配的设备编号，控制规则由具体设备类型而定，例如对数控机床的控制指令有启动“01”，停止“10”等。每条电文以“0x0a”作为结束符。

表1 控制电文具体格式说明

数据电文具体格式如表2所示。数据电文与控制电文格式略有不同，由于数据电文中包含多种类型的数据，因此增加“数据类型”字段用于标识数据电文具体类型，根据数据类型的不同“数据内容”部分也有所区别。例如数据类型为环境数据时，数据内容中包含参数类别、参数值信息，数据类型为机床状态时数据内容部分为设备ID、机床名称、状态类型、时间等。

表2 数据电文具体格式说明

5.2 基于SPC的质量数据监控

传统的离散制造车间自动化水平较低，致使失效模式影响分析(FMEA)、实验设计(DOE)、统计过程控制(SPC)等一些先进的质量控制工具和方法难以得到推广和使用[13]。经过数字化改造的离散制造车间能够借助物联网、大数据等技术手段，将先进的质量管控技术整合到产品动态制造过程当中，以“事前预防”和“事中控制”的方式取代传统的“事后检验”方式，及时消除质量异常，减少废品和返修品的产生。本文利用SPC中的均值-极差控制图[14]对产品关键工序的质量进行实时监控，质量控制流程分为准备、分析、监控3个阶段，如图4所示。

图4 质量控制流程图

由于离散制造企业具有多品种、小批量的生产特点，在使用常规SPC控制图对工序质量进行监控时，往往因为样本数据量小而造成控制图对异常小波动不敏感。为此本文提出以局部加权的SPC控制图优化算法提升系统对工序质量异常小波动的敏感性。其基本思想为：当某时刻t的样本值出现异常时，离t时刻越近的数据出现异常的趋势也就越明显。为了在样本量较小的情况放大这种趋势，以距t时刻由近及远的顺序为局部范围内样本值分配从高到低的权值，再以重新计算过的加权样本值绘制控制图，从而使样本值之间相互关联起来，更好地呈现工序质量的变化趋势。

5.3 车间3D可视化监控

本文SCADA系统监控软件利用.NET winform进行开发，为此探索了winform中3D场景的加载方法，最终采用将Unity场景嵌入winform的方式实现。首先根据车间布局情况，利用3Dmax建立与实际加工车间一致的3D模型。然后将3D模型导入Unity中，在场景中添加摄像机、脚本、碰撞器等组件，完成场景开发，再将文件输出成Web模式，即workshop.unity3d文件。最后在VS里向Winform中添加“UnityWebPlayer”控件，更改该控件的src属性，将文件地址选为之前生成的workshop.untiy3d文件路径，即可完成在winform中加载Unity场景。

车间3D可视化监控的两个重要功能分别是设备可视化操作和车间信息显示。为了实现用户对加工设备的可视化操作，首先需要在可操作的设备模型上添加碰撞器和脚本。在Unity中从用户点击位置的摄像机发出一条射线，当射线击中模型对象的碰撞器后，Unity以ExternalCall方式向winform返回消息，调用winform中的设备控制函数并弹出设备控制对话框，再由用户选择对设备执行的具体操作。车间信息展示的功能主要是向用户展示车间设备运行状态、环境参数和任务执行情况，需要用到UnityWebPlayerClass类中的SendMessage方法，这个方法与Unity3D自身脚本中的SendMessage方法定义相同，可以方便地将SCADA系统采集到的信息传递给Unity场景。

6 应用案例

利用.NET平台提供的工具和服务对某离散制造企业的齿轮加工车间的SCADA系统进行了开发。下面对系统部分功能界面进行介绍。用户登录MES系统后点击“车间SCADA”选项进入车间SCADA监控首页，如图5所示。界面中的3D模型与真实设备进行状态同步，用户可以查看设备状态并进行远程控制操作。

图5 车间SCADA监控首页

选择“实时监控”中的“生产进度监控”可以查看到当前车间生产进度执行情况，如图6所示。生产进度的执行情况以甘特图和数据表的形式进行呈现。

图6 车间生产进度监控界面

工序质量实时监控界面如图7所示。当某工序出现质量异常时，系统会对相应工序发出报警。用户可以在质量监控界面中勾选对应工序并查看当前工序的控制图状态。

图7 质量监控界面

7 结语

文中分析了离散制造车间生产过程中存在的问题，提出基于MES技术的数字化车间构建框架，对其车间SCADA的体系结构和功能模块进行分析设计，重点论述了系统应用层通信协议的设计、基于SPC质量监控方法的改进以及车间3D可视化监控的实现。以某离散制造企业齿轮加工车间为例对系统的可行性进行验证。该系统提升了离散制造车间生产过程自动化程度和监控管理水平，为传统离散制造车间向数字化车间转型提供了思路。