智能制造與設(shè)備互聯(lián)互通的研究

智能制造與設(shè)備互聯(lián)互通的研究

智能制造的主要技術(shù)之一是信息物理集成系統(tǒng)（cps）。這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)的結(jié)合系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，建立了智能工廠，實(shí)現(xiàn)了智能制造。從傳統(tǒng)工廠升級(jí)到智能工廠的關(guān)鍵是設(shè)備的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智能制造的重要前提之一也是設(shè)備的互聯(lián)互通。智能制造企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制系統(tǒng)PCS(ProcessControlSystem）、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES(ManufactoryExecutionSysmtem）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition）、分布式控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbusControlSystem）等，這些系統(tǒng)的設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。但在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，尚有大量的非智能設(shè)備，如控制器、執(zhí)行器、數(shù)字儀表、傳感器等，這些設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化也非常重要。可是這些設(shè)備，或缺少網(wǎng)絡(luò)接口、通信接口、數(shù)據(jù)接口，或通信協(xié)議未公開(kāi)，或通信協(xié)議雖已公開(kāi)，但由于安裝時(shí)不需聯(lián)網(wǎng)等原因，暫時(shí)未接入以上系統(tǒng)。種種原因使得這類(lèi)設(shè)備直接影響生產(chǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的實(shí)現(xiàn)。而且，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)未接入系統(tǒng)的設(shè)備種類(lèi)眾多，地域分布廣泛，通訊鏈路多種多樣，傳輸標(biāo)準(zhǔn)多樣化，很難設(shè)計(jì)一種通用的設(shè)備互聯(lián)方案能滿(mǎn)足所有場(chǎng)景的需求。為了解決上述問(wèn)題，本文提出了根據(jù)軟硬件接口及設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)備的功能接入相應(yīng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，助力工廠生產(chǎn)智能化、產(chǎn)品智能化、管理智能化、檢測(cè)智能化，使其發(fā)揮更大的作用。1實(shí)現(xiàn)制造資源間的互聯(lián)、互聯(lián)智能工廠的信息管理系統(tǒng)一般包括設(shè)備層、控制層、通信網(wǎng)絡(luò)層、企業(yè)管理層，其中設(shè)備層是最重要的，是實(shí)現(xiàn)智能工廠的數(shù)據(jù)源。設(shè)備層包括傳感器、儀器儀表、數(shù)控機(jī)床、執(zhí)行單元、機(jī)器人、無(wú)人搬運(yùn)小車(chē)等；控制層包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）等；通信網(wǎng)絡(luò)層包括局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、專(zhuān)線等通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)制造資源間的連接及制造資源與企業(yè)管理系統(tǒng)間的連接；企業(yè)管理層主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶(hù)關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等。企業(yè)管理層通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)層與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如控制層的SCADA系統(tǒng)負(fù)責(zé)與設(shè)備實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)記錄設(shè)備數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，SCADA系統(tǒng)的報(bào)警事件觸發(fā)MES系統(tǒng)中的流程事務(wù)，同時(shí)MES系統(tǒng)中流程控制邏輯、作業(yè)參數(shù)、配方等信息也可傳送給SCADA系統(tǒng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)與智能感知。通過(guò)設(shè)備互聯(lián)互通主要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)信息，建立生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)，提高生產(chǎn)效率；采用機(jī)器人及自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，減少人員成本；生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、故障預(yù)警和過(guò)程可視化，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，減少意外停機(jī)事件；使用在線檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工序在線檢測(cè)、成品在線檢測(cè)，以及檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳，依據(jù)實(shí)時(shí)采集的過(guò)程數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)，降低產(chǎn)品不合格率；實(shí)現(xiàn)面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)、成型、加工、裝配、檢測(cè)、設(shè)備安全保障、服務(wù)等各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化與整合，提高企業(yè)的智能化水平，提升企業(yè)的管理水平、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。2該設(shè)備連接通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通，不同類(lèi)型的設(shè)備接入到與其功能相適應(yīng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)或生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備接入系統(tǒng)的不同，設(shè)計(jì)不同的解決方案。2.1應(yīng)用程序設(shè)備互聯(lián)OPC(OLEforProcessControl，用于過(guò)程控制的OLE）是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以微軟公司的OLE(ObjectLinkingandEmbedding，對(duì)象鏈接和嵌入）技術(shù)為基礎(chǔ)，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制，為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制應(yīng)用建立了橋梁任何支持OPC協(xié)議的硬件設(shè)備和應(yīng)用程序均可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，圖1中的“設(shè)備”既可以是硬件設(shè)備，也可以是計(jì)算機(jī)，一般是具有操作系統(tǒng)的設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。“設(shè)備”的OPC服務(wù)器程序由設(shè)備廠商提供，OPC客戶(hù)端程序由用戶(hù)開(kāi)發(fā)。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，“設(shè)備”類(lèi)型就有所不同，它可以是PLC,DCS等控制設(shè)備，也可以是本地OPC服務(wù)器或遠(yuǎn)程O(píng)PC服務(wù)器。OPC基金會(huì)近年推出了新的OPC標(biāo)準(zhǔn)OPCUA(unifiedarchitecture，統(tǒng)一架構(gòu)），能解決跨平臺(tái)的應(yīng)用，由于它是在傳輸層Scoket以上定義的，OPCUA接口協(xié)議只使用一個(gè)地址空間就能訪問(wèn)之前所有的對(duì)象，不受Windows平臺(tái)限制，靈活性和安全性比之前的OPC大大提升，能解決諸多工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相關(guān)的通信問(wèn)題。2.2規(guī)范了dtm框架FDT(FieldDeviceTool，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工具）是一個(gè)將智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成到過(guò)程和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)范了DTM(DeviceTypeManager，設(shè)備類(lèi)型管理器）和框架應(yīng)用程序間的標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，而且獨(dú)立于各個(gè)設(shè)備制造商和各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。流程工業(yè)已廣泛采用智能化的變送器、執(zhí)行器和自動(dòng)控制系統(tǒng)等智能化生產(chǎn)設(shè)備，不論同一廠家還是不同廠家生產(chǎn)的智能設(shè)備，采用FDT技術(shù)均能實(shí)現(xiàn)這些智能設(shè)備的互聯(lián)互通或系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通2.3資源要素和信息資源整合MTConnect是美國(guó)機(jī)械制造技術(shù)協(xié)會(huì)（AssociationforManufacturingTechnology）主導(dǎo)制訂的數(shù)控設(shè)備互聯(lián)通信協(xié)議，提供了車(chē)間云計(jì)算在網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)范，利用大數(shù)據(jù)采集、智能化數(shù)據(jù)挖掘、溯源診斷、預(yù)警和維護(hù)工具，將物理資源和信息資源進(jìn)行整合，實(shí)時(shí)掌握工業(yè)數(shù)據(jù)和加工過(guò)程狀態(tài)，達(dá)到智能制造的目標(biāo)。MTConnect實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通的結(jié)構(gòu)圖2中的設(shè)備可以是智能工廠的數(shù)控機(jī)床、機(jī)械手、測(cè)量設(shè)備、刀具/卡具庫(kù)等設(shè)備，也可以是PLC、傳感器等其他設(shè)備，但這些設(shè)備必須支持MTConnect協(xié)議。對(duì)于不支持MTConnect協(xié)議的設(shè)備需要增加MTConnect適配器才能接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。MTConnect代理是該協(xié)議的關(guān)鍵組件，它是一種收集、處理和存儲(chǔ)來(lái)自于設(shè)備或適配器的數(shù)據(jù)的軟件，可以連接多個(gè)設(shè)備，并通過(guò)HTTP向客戶(hù)端提供標(biāo)準(zhǔn)的XML文檔格式的數(shù)據(jù)，客戶(hù)端只需與MTConnect代理進(jìn)行通信。2.4scda系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)SCADA系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)各種類(lèi)型變送器、儀器儀表的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)可以控制執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)與停止，監(jiān)視、控制和干預(yù)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并能對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，形成生產(chǎn)報(bào)表。該系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集終端、通信網(wǎng)絡(luò)三大部分組成圖3中，變送器、儀器儀表、執(zhí)行設(shè)備需要接入數(shù)據(jù)采集終端，由數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)通信接口以約定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)。設(shè)備要接入SCADA系統(tǒng)，首先要具備監(jiān)控計(jì)算機(jī)支持的無(wú)線通信方式，其二要具備SCADA系統(tǒng)的通信協(xié)議。若不具備以上兩條，可考慮接入數(shù)據(jù)采集終端，由數(shù)據(jù)采集終端作為該設(shè)備與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的“網(wǎng)關(guān)”。2.5集中監(jiān)視與分散控制DCS系統(tǒng)是一個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用集中管理、分散控制，即將管理與控制相分離，上位機(jī)執(zhí)行集中監(jiān)視管理，下位機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分散控制，它們之間用控制網(wǎng)絡(luò)相連實(shí)現(xiàn)信息傳遞。DCS系統(tǒng)設(shè)備連接如圖4所示。圖4中，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的各種變送器、儀器儀表、開(kāi)關(guān)控制器及執(zhí)行設(shè)備之間是一對(duì)一的物理連接，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口必須與控制器的對(duì)應(yīng)接口相匹配。2.6全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)建設(shè)方案FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是以數(shù)字通信替代傳統(tǒng)4～20mA模擬信號(hào)及普通開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸，是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信，以及現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。FCS系統(tǒng)設(shè)備連接如圖5所示。圖5中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用智能設(shè)備，將普通控制系統(tǒng)中的控制模塊、輸入/輸出模塊放置于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，現(xiàn)場(chǎng)的變送器、儀器儀表、PLC、執(zhí)行設(shè)備可以直接與控制器通信、傳送數(shù)據(jù)。2.7數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備還有一些設(shè)備由于軟硬件接口或其他問(wèn)題不能用以上方法接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，針對(duì)不同類(lèi)型設(shè)備，采用不同的數(shù)據(jù)采集方式，設(shè)備連接如圖6所示。帶有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備沒(méi)有現(xiàn)成數(shù)據(jù)的設(shè)備，通過(guò)安裝傳感器或進(jìn)行智能化改造，增加通信能力，基于有線/無(wú)線方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)基于邊緣計(jì)算，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)就地分析和存儲(chǔ)，也可以將數(shù)據(jù)和分析結(jié)果匯總，通過(guò)有線/無(wú)線的方式，傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和后續(xù)分析。3無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本文按設(shè)備類(lèi)型、功能分別設(shè)計(jì)了設(shè)備互聯(lián)的通信系統(tǒng)，對(duì)能接入相應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)備互聯(lián)方法進(jìn)行了說(shuō)