面向制造过程的车间实时监控系统设计

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随着制造业信息化的发展，越来越多的制造企业应用管理系统和自动控制系统来提高生产效率、管理水平及产品质量，以促进企业经济效益的增长。然而由于车间实际生产过程的复杂性和不可预见性，导致零件实际生产过程与主生产计划脱节，如无法在生产计划规定的时间内完成加工等，带来生产混乱、经济效益降低等问题”。究其原因，生产车间缺乏对生产现场数据的有效采集手段 ，以至于管理人员无法在第-时间获得生产过程中人员、物料、设备等相关资源的准确信息，并做出快速响应，对现场生产进行调整和指导车间生产 。因此，建立-整套生产现场实时跟踪和监控系统具有现实意义，势在必行。目前国内外针对车间监控的研究取得了-定成果，研究主要集中在监控系统的监控对象表达或是较为单-数据采集方式上，如文献 建立了车间监控对象的模型，文献I 建立-种数控机床加工过程状态的信息模型，用于对加工过程中加工状态进行监测，义献 提 出利，j机床主传动系统功率信息获取大型工件加工进度状态信息，文献 研究通过监控 NC程序的执行来获取工件加工进度信息的采集方法，文献喂 出了利用条码技术进行生产现场数据采集的方法，文献181提出采用以太网与 PLC通信通过 OPC标准接口实现数据采集等。这些研究从技术层面实现了车间的监控，但是缺乏对监控系统最基本部分-数据实时采集方法的研究，忽略了监控系统的数据来源，容易造成监控时间滞后、监控对象不全和监控力度不够等问题。为此，在研究条码自动识别技术、机床联网技术和无线设备采集技术的基础上，设计了面向离散制造企业的生产车间实时监控系统，给出了数据采集方案和系统实现方案，旨在提高监控过程的实时生和监控数据的完整陛，提升车间透明度，提高生产效率。

2离散制造企业监控系统现状分析某企业是军工制造企业，具有生产批量少、产品种类多、生产过程复杂等典型离散型制造业特点。车间生产是从计划到物料到成品的各个生产过程，涉及包括人员、设备、物料、T装、质量、任务、工单等生产现场信息。按照生产数据陛质分，其生产过程涉及的数据可分为lT况数据和设备运行数据 (生产现场工况数据包括人员、没备、物料、工装、质量信息以及任务执行信息；设备运行参数指加工过程中的设备任务状态信息、设备运行信息及设备工作状态信息)；按照数据状态分，可分为静态数据、动态数据和中间数据(静态数据变化频率较小在系统可通过系统统-录入；动态数据是随加工过程动态变化的，在采集过程中需要及时采集；而中间数据则是根据需要对动、静态数据处理后的信息)，如图1所示。

来稿日期：2012-05-03基金项目：国防预研项目资助(51318010104)作者简介：李 智，(1988-)，男，湖北钟祥，硕士研究生，主要研究方向：先进制造技术汪惠芬，(1965-)，女，教授，博士，主要研究方向：网络化制造、工业工程第 3期 李 智等：面向制造过程的车间实时监控系统设计 257中间数据图 1离散车间制造过程数据类型Fig.1 Discrete Shop Manufacturing Process Data Type目前 ，企业车间已经构建了网络 DNC系统 ，通过 DNC服务器能够进行车问数控加工设备的NC程序传输与机床数据采集与分析，但此系统仅能够满足车间数控设备的管理和运行监控需求，对于加工过程中物料状态、任务执行情况及工装信息等并不能够集中进行采集与分析。另外车间内不具备联网条件的设备还是利用人工记录的方式对其状态、加工任务等进行采集；生产现场大量的工况数据也多依靠人工采集完成，这都使数据采集与生产指令下达缓f曼并较多的受到人为干涉。通过实地调研与分析，发现企业车间监控中主要存在以下三点问题：(1)生产过程中无法对普通加工设备状态进行监控管理，网络 DNC系统仅是针对设备相关信息进行采集，对于任务进度、质量信息等并未涉及，采集数据出现遗漏；(2)制造过程数据采集过多的依赖人工记录方式进行，生产数据的分析也是经由人工汇总和统计的方式录人计算机，这种制造过程的数据采集形式极易受人为因素干扰，并且数据容易产生错误，信息实效性不高；(3)制造车间没有-套完整的实时监控系统，目前车间监控仅仅基于网络DNC系统和MES系统的交互完成。这样的监控形式在车间生产监控中没有针对陛，生产现场常常会出现信息交互混杂、生产信息不能及时上报的情况，实时生不高。针对上述离散制造生产过程数据类型特 和车间监控中存在的问题，提出了适合于上述数据分类形式的采集方法，在此基础上，设计了针对离散制造车间的实时监控系统。

3面向生产过程的车间实时监控系统设计3.1系统体系结构面向生产过程的车间实时监控系统是以车间过程数据实时采集为基储多源异构信息处理为核心，这些信息都是通过接口实现数据交换与信息更新。在上述对车间监控系统的需求及对车间数据采集对象和采集方式的分析基础上，提出了由设备层、采集层、数据处理层、功能应用层和监控层的五层系统体系结构，如图2所示。

(1)设备层：设备是整个生产制造的基础，设备的运行正常与否以及设备所处状态隋况影响着整个生产过程，因此对设备的监控显得尤为重要。设备层主要是指生产过程中所使用各种设备，包括各种数字化生产设备、普通机床等自动化程度不高的设备及运输设备等；(2)采集层：采集层是指车间数据采集过程中运用的各种采集设备与方法，主要是指机床设备连网、条形码扫描器、触摸屏工控机和手持数据采集器。它们主要采集中生产过程中的生产进程信息、生产质量信息、生产设备信息、物料信息和任务信息。这部分主要是为整个车间监控拈提供制造过程数据，支撑整个监控系统的顺利运行；(3)数据处理层：数据处理层是负责将车间各类的原始生产数据根据数据类型，进行统-分类、完整与完好f生检查、建模和存储等，从而为监控系统提供统-格式的信息源；(4)功能应用层：功能应用层是系统的核心层，这部分主要是根据产品生产的业务流程建立数据处理软件各功能拈，对采集上来的制造过程数据进行分析、处理和统计展示。主要提供了以下六个拈：任务进度跟踪拈、资源状态查监控、质量监控拈、生产过程系统分析拈和系统管理模块；(5)监控层：即用户界面层。它主要是以WEB浏览器、车间应用客户端和电子看板三种方式体现，主要用于展示生产过程中的任务进度、生产资源状态、质量信息以及生产过程的统计分析；(6)车间生产数据库：存储车间生产数据，供车间实时监控系统调用。

图2车间实时监控系统体系结构Fig.2 Workshop Real-Time Monitoring System Structure32数据采集方案为解决上述车间生产监控中存在的问题，根据制造车间现有数据采集手段、网络条件和生产特点 ，结合上述离散制造过程数据类型的分析，采用触摸屏工控机、条形技术、手持数据采集器及机床联网技术四种数据采集技术并通过车间以太网实现对车间生产现场的数据采集，如图3所示。

网u设备 串口设备 普通机床 触摸屏 条码机 手持数据采集器图3制造车间数据采集方式Fig.3 Manufacturing Plant Data Acquisition Method258 机械 设 计 与制造No.3Ma/".20l3针对上述采集方式，采集方案设计如下。

3.2.1触摸屏工控机工控触摸屏主要用于采集普通机床工段等无通讯设施的设备和生产任务单-的工位 ，它采用人机界面的形式，由人工输入提交的形式进行数据采集。工控机能通过触摸屏对上述静态信息进行更新，同时也能采集生产动态信息如机床运行状态、加工状态 状态、 况信息和任务执行信息采集，并通过车间局域网实现数据传输。

3.2.2条形码技术条形码采集技术是将载有各种生产信息的条码或贴于部件和成品 E，或放于相应工位上，由自动条码扫描器通过条码扫描网络仪将条码信息送人车间监控计算机上 。条码主要用于在设备种类单 、布局较为集中的工段，采取数据采集站与条码枪相结合的采集模式。主要采集同类设备加工过程中所处的加工工序、JfI T设备 、物料状态、质量、加工状态等动态信息。

323手持数据采集器手持式数据采集器是通过车间以太网实现与监控系统上位机间的数据通讯，主要用于采集动态信息。手持数据采集器主要用于无通信和采集接口的普通设备工位人员和车间物流配送人员，通过它可以实时接收生产计划任务和对车间生产现秤工数据采集。它主要采集生产任务执行信息、任务加工状态信息、人员状态信息、工序质量信息、物料配送和加工信息、设备状态等动态信息。

3.2.4机床联 网技术机床联网技术以计算机技术、通讯技术、数控技术为基础，对离散机床进行联网，将他们与上层计算机集成起来，从而实现加工设备的控制管理以及信息交互 。目前的数控机床按通信接口不同可分为无通信接El、串行口和以太网口三种。在机床运行数据采集11，对于无通信接口的机床，采用 PLC信号点方法进行采集，利用PI C通过 RS232/485与机床进行通信；对于有串口的数控机床如FANUC/HAAS系列则采用宏指令法进行采集，通过在加工程序中加入特定的宏指令来采集生产过程数据；而具有以太网口的数控机床，-般都有专用的 DNC接口，利用 DNC网卡n 对设备数据进行采集。上述三类方式采集各类带时标生产过程 息，包括当前程序名、加工时间开始与结束时间、主轴转速、设刀具信息等。

3-3车间实时监控拈3.3.1系统功能与业务流程设计面向生产过程的车间实时监控系统包括以下几个功能：数据采集功能、任务进度跟踪、资源状态监控、质量监控、生产过程统计分析 、过程报警以及系统管理。

(1)数据采集功能数据采集功能拈采用机床联网、条形码扫描器、触摸屏丁控机和手持数据采集器对上述的制造过程信息进行采集，并把采集到的信息归类和上传于监控拈进行数据处理。

(2)任务进度跟踪任务进度跟踪拈主要是对生产任务进行跟踪和查询，它分为生产总任务和各工位加工任务两部分组成。任务进度跟踪模块包括生产任务查询、任务进度查询、任务状态查询、未完成任务统计等操作。

(3)资源状态监控负责对生产过程中资源的状态进行查询，包括物料加工状态和物流状态查询、设备状态查询、人员状态查询等。

(4)质量监控对生产过程质量信息进行查询，运用统计过程控制 sPc(Statistical Process Contro1)技术，对质量情况进行统计分析，通过控制图的形式对每-工序质量情况进行监控，对出现的质量问题及时纠正，避免大量不合格品的出现，达到监控预防的目的。

(5)生产过程统计分析对同种类信息进行汇总分析，提供实际生产操作与历史记录或期望结果的分析报告和生产统计报告，如计划完成率、产品合格率、设备利用率等。

(6)过程报警按照计划设定的时间范围，对即将到截至日期的任务进行预警；对制造过程中的遇到的设备故障、物料不足或刀具磨损等情况进行报警，提醒工作人员及时处理和更新，保证生产工作顺利进行。

(7)系统管理包括用户管理、角色管理及系统基础信息的维护。通过定义不同级别的用户角色，设置对应权限，有效的对用户进行管理，通过对系统基础信息的添加、修改、删除等维护保证整个系统的正确运行。

根据对系统功能拈的设计，确定监控系统业务流程，如图4所示。

系统分别对设备、资源、计划任务、质量等进行在线监控。在设备监控过程中，系统根据设备运行隋况，对设备状态及设备台账进行查看；计划进度监控对计划的下发到计划执行到计划完成整个流程进行监控；质 中，查询质量标准，对质量问题进行分析，得出质量分析报表；而资源状态监控则是对制造资源如工装、人员状态进行监控，并与设备状态、物料状态等-起进入生产统计分析拈进行分析处理，生产报表，供上层计划调试使用。

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ， 数据采集I数据采集接口I I数据采集接口l l数据采集接 l ： · - - 。 。---1--·-------l----------I设备在线监控l -- 资源状态监控I l计划进度监控I l质量在线监控I匦 I 圈 魏 i 熹il设酱难修计划 1 - l lL T J I L J I 。 l n± l - - 。 。 。 - 。 - - - -- 生产统计分析 ·t-I- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 广 ] 图4车间实时监控业务流程图Fig.4 Workshop Real-Time Monitoring Flow Diagram