智能工廠新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建

智能工廠新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建龔濤;趙赫男【摘要】智能工廠的基礎(chǔ)是對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的充分采集和有效利用，當(dāng)前工廠中的設(shè)備數(shù)量大、通信接口類型多、協(xié)議復(fù)雜、數(shù)據(jù)類型豐富，讓每個上層應(yīng)用軟件各自實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集非常困難，也不利于數(shù)據(jù)共享.鑒于此，提出構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)對海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和監(jiān)視控制，并支持基于數(shù)據(jù)的敏捷化應(yīng)用創(chuàng)新.平臺采用OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPCUA)作為信息建模、服務(wù)封裝和對象交互的底層支撐技術(shù)，與國際發(fā)展趨勢一致.【期刊名稱】《微型機(jī)與應(yīng)用》【年(卷)，期】2018(037)003【總頁數(shù)】5頁(P15-19)【關(guān)鍵詞】智能制造;數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制;OPC統(tǒng)一架構(gòu);數(shù)字孿生;信息物理系統(tǒng)【作者】龔濤;趙赫男【作者單位】北京和利時智能技術(shù)有限公司，北京100176;北京和利時智能技術(shù)有限公司，北京100176【正文語種】中文【中圖分類】TP2730引言智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式［1］。可以看出這是一項(xiàng)宏偉遠(yuǎn)大的目標(biāo)，需要經(jīng)歷長期艱苦的努力才能達(dá)成。從有序推進(jìn)的角度可以將智能制造分為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化三個標(biāo)志性階段，循序漸進(jìn)、迭代發(fā)展。其中數(shù)字化階段針對的是單設(shè)備、單系統(tǒng)、單業(yè)務(wù)的信息化。網(wǎng)絡(luò)化階段則是實(shí)現(xiàn)多臺設(shè)備、多個系統(tǒng)和多種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)融合、功能集成和作業(yè)任務(wù)協(xié)同。未來在智能化階段，人工智能技術(shù)將全面深度介入到企業(yè)生產(chǎn)活動的各個層次和方面，它具備像人一樣的認(rèn)知、思考、學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，將極大提升生產(chǎn)的靈活性，并最終把人類從繁重具體的生產(chǎn)活動中解放出來。數(shù)字化階段的標(biāo)志就是各種數(shù)字化的傳感器、執(zhí)行器、設(shè)備、系統(tǒng)以及各類軟件在企業(yè)中得到普遍應(yīng)用。這在一些現(xiàn)代化企業(yè)中已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，其下一步的發(fā)展重點(diǎn)是從數(shù)字化向網(wǎng)絡(luò)化的過渡與提升，所面臨的關(guān)鍵問題是如何用規(guī)范化、系統(tǒng)化的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、系統(tǒng)互聯(lián)和應(yīng)用創(chuàng)新。其難點(diǎn)在于既要兼顧當(dāng)前數(shù)字化階段廣泛存在的設(shè)備、系統(tǒng)和軟件的現(xiàn)實(shí)狀況，還要面向未來設(shè)計(jì)出新框架、制定新方案、引入新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新老系統(tǒng)融合發(fā)展，有序向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同階段演進(jìn)。智能工廠集成架構(gòu)本文重點(diǎn)關(guān)注智能工廠縱向、橫向和端到端三大集成中的縱向集成，也就是生產(chǎn)制造的自動化和信息化集成這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這方面通常是參照ANSI/ISA-95［2］及其改進(jìn)版IEC/ISO62264［3］企業(yè)控制系統(tǒng)集成國際標(biāo)準(zhǔn)，將企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)自底而上劃分成生產(chǎn)現(xiàn)場層、產(chǎn)線控制層、數(shù)據(jù)采集與操作層、車間管理層和企業(yè)管理層五層，如圖1所示，體現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、層次化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1智能工廠系統(tǒng)集成架構(gòu)第一層生產(chǎn)現(xiàn)場層，主要是用于生產(chǎn)制造過程的各類機(jī)電設(shè)備，包括數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人，以及生產(chǎn)加工、測試裝配、物流倉儲和其他各類輔助設(shè)備，當(dāng)前這些設(shè)備的自動化程度快速提升。第二層產(chǎn)線控制層，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對現(xiàn)場主要設(shè)備進(jìn)行拼接組合形成一條條產(chǎn)線，并由可編程邏輯控制器(PLC)或分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制運(yùn)行，形成高度自動化的生產(chǎn)流水線。第三層數(shù)據(jù)采集與操作層，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程中各類設(shè)備設(shè)施、元部件、產(chǎn)成品、環(huán)境能耗，以及勞動者信息的采集、處理、存儲和顯示，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)的實(shí)時全面集中監(jiān)控。第四層車間管理層，主要面向車間生產(chǎn)層面的生產(chǎn)、倉儲、質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行管理，包括生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、倉儲管理系統(tǒng)(WMS)、統(tǒng)計(jì)過程控制系統(tǒng)(SPC)和設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)(MRO)等。第五層企業(yè)管理層，主要是企業(yè)層面的供應(yīng)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)的綜合型管理，包括企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)、客戶關(guān)系管理系統(tǒng)(CRM)、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)(SCM)和產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)(PLM)。1.1流程工業(yè)與離散工業(yè)在系統(tǒng)集成方面的異同制造業(yè)從整體上分為流程工業(yè)和離散工業(yè)兩大類型。流程型企業(yè)的生產(chǎn)場所分布廣、面積大、自動化程度高、現(xiàn)場無人或少人，因此普遍采用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(SCADA)系統(tǒng)，操作員在調(diào)度室中對生產(chǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。相比較而言，傳統(tǒng)上離散制造業(yè)自動化程度低，工人都在現(xiàn)場進(jìn)行手工作業(yè)，這種生產(chǎn)方式不會產(chǎn)生對集中監(jiān)控的需求。但是，現(xiàn)今離散制造業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)日趨復(fù)雜、自動化水平顯著提升、現(xiàn)場作業(yè)人員持續(xù)減少，這樣對生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性等提出了更高的要求，變得越來越像流程工業(yè)，為此也需要建設(shè)SCADA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)采集、報警服務(wù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。不同類型流程工業(yè)之間，如電廠、化工、水泥、冶金等行業(yè)，雖然生產(chǎn)工藝過程和規(guī)模不同，但是控制系統(tǒng)和信息化系統(tǒng)相似，集成方案基本相同。然而不同類型離散制造業(yè)，如電子、服裝、家電、汽車、機(jī)械和裝備制造業(yè)之間的差異巨大，即便同一類型行業(yè)，但由于企業(yè)規(guī)模不同也是如此，其中的生產(chǎn)設(shè)備、加工工藝、自動化程度以及信息化系統(tǒng)類型和功能也截然不同，因此，離散制造業(yè)的的自動化和信息化集成具有強(qiáng)烈的行業(yè)和規(guī)模特征。1.2離散制造業(yè)對SCADA的高級需求離散制造過程所面臨的問題維度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出流程工業(yè)，需求個性化更強(qiáng)、產(chǎn)品生命周期更短、原料部件類型更多、加工檢測手段千差萬別、內(nèi)外部各類生產(chǎn)擾動更加頻繁。由此各生產(chǎn)系統(tǒng)所產(chǎn)生和涉及的數(shù)據(jù)類型也更加豐富（如：物料清單、工藝文件、訂單、設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、標(biāo)識標(biāo)志、位置路徑、照片影像、質(zhì)檢記錄等）、系統(tǒng)功能更加多樣（如：工作流、排產(chǎn)排班、出入庫、運(yùn)輸配送、質(zhì)量檢驗(yàn)、防呆防錯、看板與安燈等）。傳統(tǒng)流程工業(yè)SCADA系統(tǒng)主要是針對生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、濃度、液位等模擬量和開關(guān)、起停、頻率等數(shù)字量的采集、報警和展示，數(shù)據(jù)類型少、功能簡單。為此，需要對流程工業(yè)SCADA系統(tǒng)進(jìn)行徹底改進(jìn)，支持對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理，增添對更多類型對象的建模方法，設(shè)計(jì)更具價值的分析算法，提供更周全的專有功能，展示更豐富的圖表，以及開放更多的開發(fā)接口和定制工具。HiaSCADA平臺針對智能工廠和數(shù)字車間建設(shè)過程中在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集處理和分發(fā)、多類型子分系統(tǒng)集成和聯(lián)動、大數(shù)據(jù)和敏捷應(yīng)用創(chuàng)新方面的需求，采用新一代信息技術(shù)和架構(gòu)研發(fā)出工廠數(shù)據(jù)綜合采集與應(yīng)用開發(fā)平臺HiaSCADA。HiaSCADA平臺主要包括數(shù)據(jù)建模工具、可視化組態(tài)工具，通信接口管理、數(shù)據(jù)采集服務(wù)、對象模型服務(wù)和開放數(shù)據(jù)服務(wù)，規(guī)則引擎、計(jì)算引擎、工作流引擎，以及各種類型的數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。它具有對企業(yè)范圍內(nèi)各類多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集、建模、處理和轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能，以及可視化監(jiān)控、高級數(shù)據(jù)分析和定制化應(yīng)用開發(fā)等高級功能。建模是HiaSCADA最顯著的特點(diǎn)，工廠中的設(shè)備、產(chǎn)線、物料、產(chǎn)品、設(shè)計(jì)文件、制造工藝以及人都是普遍概念上的〃實(shí)體”或〃物”。利用面向?qū)ο蟾拍顚γ總€要素、單元、實(shí)體進(jìn)行信息化封裝，為其各自包裝上一個數(shù)字化外殼，形成物理實(shí)體之上的數(shù)字虛體即〃信息圖2HiaSCADA工廠數(shù)據(jù)綜合采集與應(yīng)用開發(fā)平臺模型”，每個信息模型都內(nèi)置有屬性、方法、事件和規(guī)則，使得模型在數(shù)字空間中具有生命活力，實(shí)現(xiàn)了〃數(shù)字孿生”。為企業(yè)內(nèi)的所有實(shí)體進(jìn)行建模，一方面，信息模型與對應(yīng)實(shí)體之間通過感知和反饋實(shí)現(xiàn)物質(zhì)、能量、信息在兩個世界間的交換；另一方面，信息模型之間也通過信息通信機(jī)制在數(shù)字空間進(jìn)行信息傳遞與交互，從而建立起集計(jì)算、通信與反饋于一體的信息物理系統(tǒng)(CPS)?，F(xiàn)實(shí)中各實(shí)體之間的聯(lián)系和作用在數(shù)字空間中用模型對象及對象之間的關(guān)系重現(xiàn)，在數(shù)字空間中再現(xiàn)企業(yè)的運(yùn)營，開啟軟件定義制造新時代。2.1HiaSCADA采用OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)HiaSCADA采用OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)［4］進(jìn)行信息建模、服務(wù)封裝和對象交互，構(gòu)建出一個分布、開放、可擴(kuò)展的生產(chǎn)管理級平臺，支持開發(fā)各種生產(chǎn)運(yùn)營模塊并插接到平臺上運(yùn)行，共同實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的全面融合及各項(xiàng)管控功能的無縫集成，并支持分期建設(shè)和持續(xù)改進(jìn)。OPCUA是由工業(yè)界提出的集信息模型、服務(wù)管理與通信規(guī)范于一體的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)框架。OPCUA規(guī)范由OPC基金會主導(dǎo)制定，并成為IEC62541［5］標(biāo)準(zhǔn)，2017年中國以GB/T33863［6］發(fā)布。德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0［7］在通信層方面也選擇使用OPCUA。OPCUA框架包括模型的發(fā)現(xiàn)、注冊、交互及安全機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模型的動態(tài)加載、即插即工作、請求-響應(yīng)模式通信、發(fā)布-訂閱模式通信以及事件處理機(jī)制。企業(yè)信息系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向是扁平化、網(wǎng)絡(luò)化、IP化，OPCUA為企業(yè)內(nèi)的萬物互聯(lián)、數(shù)據(jù)自由流動提供了支撐。對于智能部件提供商而言，OPCUA是一套符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的實(shí)時數(shù)據(jù)中間件開發(fā)框架，廠商可以將產(chǎn)品的功能嵌入到OPCUA框架中，從而提供與其他智能部件相互兼容的數(shù)據(jù)與服務(wù)。對于智能工廠的解決方案集成商而言，OPCUA是一套標(biāo)準(zhǔn)化的整合機(jī)制，用于集成符合OPCUA規(guī)范的各類硬件和軟件，如傳感器、執(zhí)行器、控制器、MES、ERP等。2.2HiaSCADA部署方式HiaSCADA中的各功能組件之間也是通過統(tǒng)一的OPCUA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、消息傳遞與互操作，具有松耦合、跨平臺的特點(diǎn)。因此，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和現(xiàn)場實(shí)際情況，HiaSCADA平臺中的各個功能組件既可以集中部署到一臺計(jì)算機(jī)上，也可以分散部署到多個物理或虛擬計(jì)算機(jī)上，充分體現(xiàn)出分布式、冗余后備、彈性伸縮、按需部署的特點(diǎn)。2.3基于OPCUA的信息安全機(jī)制信息通信安全是互操作性的基礎(chǔ)，OPCUA安全機(jī)制基于互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，包括用戶身份驗(yàn)證、簽名消息和加密用戶數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換，OPCUA支持基于TCP的OPCUA二進(jìn)制協(xié)議，可有效地通過防火墻，消息可以通過HTTP或其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。此外，OPCUA支持可配置的超時、自動錯誤檢測和恢復(fù)機(jī)制，以防止數(shù)據(jù)丟失，提高系統(tǒng)可用性系統(tǒng)。HiaSCADA在智能工廠中的應(yīng)用在某大型電器制造企業(yè)新建工廠項(xiàng)目中，提出建設(shè)全面互聯(lián)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化工廠。項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對工廠中各類物理設(shè)備、軟件系統(tǒng)和人的連接，支持對生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)、安全設(shè)施和環(huán)境能耗等實(shí)時數(shù)據(jù)的采集處理，以及對工藝文件、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、檢驗(yàn)記錄、空間定位信息和音視頻多媒體數(shù)據(jù)的集成與應(yīng)用，并借助大數(shù)據(jù)技術(shù)開展資源優(yōu)化配置和工藝優(yōu)化運(yùn)行，同時還把采集到的數(shù)據(jù)按需分發(fā)給其他系統(tǒng)使用。由此可見該項(xiàng)目重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享和分析利用，為此在項(xiàng)目一開始就摒棄了以往建設(shè)中各子分系統(tǒng)獨(dú)立規(guī)劃、分頭設(shè)計(jì)、單獨(dú)建設(shè)、到頭孤立運(yùn)行的落后做法，而采用系統(tǒng)化、集成化思想進(jìn)行整體規(guī)劃、聯(lián)合設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)全集成運(yùn)行。3.1智能工廠數(shù)據(jù)采集全集成方案工廠中央集控指揮中心采用HiaSCADAT廠數(shù)據(jù)綜合采集與應(yīng)用開發(fā)平臺，將整個工廠內(nèi)與生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)線自動化系統(tǒng)、專機(jī)設(shè)備、配電照明系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，與弱電集成相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)、廣播語音系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)，以及與安全防護(hù)相關(guān)的門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和貨運(yùn)車場管理系統(tǒng)，共計(jì)三十余類子分系統(tǒng)全部由HiaSCADA平臺進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、分析處理、功能集成和可視化呈現(xiàn)，執(zhí)行集中統(tǒng)一監(jiān)控調(diào)度。同時也為MES、WMS、ERP等生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)提供一致性的數(shù)據(jù)來源。圖3工廠中央集控指揮中心3.2HiaSCADA與外部設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換HiaSCADA中的通信接口管理組件和數(shù)據(jù)采集服務(wù)負(fù)責(zé)管理各類設(shè)備和系統(tǒng)的通信接入、執(zhí)行協(xié)議解析、提取應(yīng)用數(shù)據(jù)。組件支持豐富的標(biāo)準(zhǔn)接口和協(xié)議類型，也提供對各類私有協(xié)議的定制。OPCUA或者OPC協(xié)議。如果設(shè)備采用工控機(jī)或者高檔PLC,通常支持OPCUA或OPC協(xié)議，則可以直接通過以太網(wǎng)接口與HiaSCADA系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通用工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。如果設(shè)備中的PLC或其他控制器具有以太網(wǎng)接口，則一般都支持某種常見的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如Profinet、CCLink-IE、Ethernet/IP、EtherCAT、Powerlink.ModbusTCP等，可以直接通過以太網(wǎng)接口按照相應(yīng)協(xié)議與HiaSCADA系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。⑶通用工業(yè)總線通信協(xié)議。如果設(shè)備中的PLC或其他控制器只有RS485、RS232或者CAN接口，則一般會支持某種工業(yè)總線協(xié)議，如Modbus-RTU/ASCII、Profibus-DP、CCLink、DeviceNet等，可以直接以總線方式接入HiaSCADA系統(tǒng)，或者將總線轉(zhuǎn)換為工業(yè)以太網(wǎng)再接入HiaSCADA系統(tǒng)。設(shè)備有PLC或控制器，但無通訊接口。需要在PLC或控制器上加裝通信模塊，將需要的數(shù)據(jù)通過通信模塊接入到HiaSCADA系統(tǒng)。設(shè)備是無PLC和控制器的啞設(shè)備。需要加裝PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再接入HiaSCADA系統(tǒng)。設(shè)備采用私有通信協(xié)議。需要為HiaSCADA定制開發(fā)相應(yīng)的協(xié)議解析程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交換。在智能工廠規(guī)劃與建設(shè)過程中，盡量按以上6種設(shè)備數(shù)據(jù)交換方式的排列順序進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，以便達(dá)到更高效、更靈活、更安全的數(shù)據(jù)交換。對于工廠中必須單獨(dú)建設(shè)的各種子分系統(tǒng)，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音廣播系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)、WMS、MES和網(wǎng)管系統(tǒng)等，一般采用軟件接口的方式接入到HiaSCADA，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)聯(lián)動，如OPCUA、OPC、WebService.RESTful、MQ、ODBC、SNMP或私有API接口。同時HiaSCADA系統(tǒng)還通過開放數(shù)據(jù)服務(wù)組件，以O(shè)PCUA、OPC、WebService.RESTful、MQ、API等多種方式對外提供數(shù)據(jù)訪問和集成服務(wù)，供第三方系統(tǒng)從HaiSCADA獲取數(shù)據(jù)和觸發(fā)聯(lián)動。另外，基于HiaSCADA平臺的快速開發(fā)工具和二次開發(fā)接口，針對各種應(yīng)用場景可通過簡單配置或編程實(shí)現(xiàn)多個系統(tǒng)間基于時間、事件和預(yù)置條件的聯(lián)動機(jī)制，既豐富了運(yùn)行模式又提升了監(jiān)控效率。4結(jié)論當(dāng)前我國