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摘要：為了解決定形機的集中管控、系統集成以及數據管理的問題，提出了一種定形機集中控制管理系統設計方案?；谀K化設計方法、數據庫技術以及網絡通信技術，搭建了系統總體框架；設計了基于OPCUA的網絡拓撲以實現機臺組網；描述了設備管理、數據采集與監控、排產管理、能耗統計分析等主要功能的設計原理。實際應用表明，該系統功能完整度高，適應性好，具有較高的靈活度與開放性，能夠快速實現機臺組網，并可以方便地與第三方信息系統進行整合；應用該系統后，設備利用率、生產效率、能源消耗以及人工成本等方面得到了明顯改善。
關鍵詞：定形機；集中控制；設備監控；數據采集；排產
定形機是染整生產過程中的關鍵設備之一，雖然其在單機的控制上已基本實現了自動化，但目前車間里的定形機設備仍處于離散管控的狀態，沒有實現集中控制，數據無法上傳下達，不能與上層管理系統進行交互，自動化的生產過程管理難以實現［1］。在當前智能制造的背景下，車間及工廠數字化建設已成趨勢［2－4］，而一套專用的集中管控系統是實現定形機車間數字化的基礎。專用的設備集中管控系統在實現設備的集中控制、生產全流程數字化管理的過程中發揮著重要的作用［5］。其利用現場總線、工業以太網等技術對分散的現場設備進行組網［6］，實現設備數據采集，并通過OPCUA等標準實現與設備的互操作［7］。利用數據庫技術對生產中的工藝參數、運行狀態等進行持久化管理，實現生產過程追溯。結合特定生產方式及工藝要求的專有生產排程管理系統可以實現自動化的生產排程［8］。集成的設備綜合效率（OEE）分析［9］、能源管理［10］、預維護等功能，可幫助提升設備的性能與預期壽命。此外，還利用工業物聯網等技術來幫助實現設備的云端管控［11－12］。本文從定形機集中控制與信息集成應用的實際需求出發，設計適用于定形機的集中控制管理系統，進行系統架構搭建，完成全功能開發，并在實際應用中進行驗證。
1系統總體設計
1．1系統總體架構
定形機集中控制管理系統的主體是基于Windows平臺開發的一套軟件系統，運行在專用的工業服務器上，其架構如圖1所示，主要包含了3部分內容：組件管理、數據管理以及通信管理。
1．1．1組件管理
組件管理用于系統功能組件的管理與控制，各組件均采用模塊化設計，模塊獨立運行，模塊之間無直接關聯，統一通過組件管理器進行交互，極大程度地降低了系統的耦合性。各功能模塊可以獨立授權管理，系統啟動時，組件管理器根據授權狀態加載相應的組件。系統包含了設備監控、能耗分析、排產管理、配方管理、報表管理、輸料管理、維保管理、可視化、報警管理及用戶管理等功能組件。
1．1．2數據管理
數據管理主要基于SQLServ-er數據庫實現。系統中的數據按照功能定義可以分為配置數據、歸檔數據、交互數據3大類別。其中配置數據主要包含系統及機臺的配置信息，例如系統的授權狀態、賬戶信息，各機臺的IP地址、設備型號、設備名稱等，該類信息多為靜態數據，通常在系統調試完成后不再進行更改。歸檔數據主要包含需進行持久存儲的過程變量或工藝參數，如各機臺的運行參數、配方數據、排產記錄、歷史報警信息等，該類數據需要持久保存，以供后續查閱。交互數據主要用于與外部應用程序進行交互，例如與ERP系統進行交互從而實現自動排產，與助劑輸送系統進行交互從而實現自動注料，該類數據通常為臨時數據，完成一次交互后便會失效。由于交互類數據需要被外部訪問，為保證數據安全性，需將其放置于獨立的數據庫中，并提供專用的訪問賬戶。
1．1．3通信管理
通信管理包含兩個方面：一是實現與生產現場各機臺的組網通信；二是實現與ERP、物聯網云平臺、應用客戶端以及生產看板等外部系統進行交互?？紤]到OPCUA的先進性，以及越來越多的PLC集成了OPC服務器，因此，采用OPCUA來進行組網。系統中集成了OPCUA服務，通過客戶端與各機臺中的OPCUA服務器建立連接，從而實現互操作。采用這種通信方式，可以極大程度地降低組網的成本與周期。提供了3種與外部系統通信的方式：ODBC、MQTTAPI以及WEB訪問。系統提供了專用的外部訪問數據庫，外部應用可以通過ODBC直接進行訪問。這種方式適用于與局域網內的第三方系統（如ERP、輸料系統等）進行交互，具有較高的安全性、靈活性與實時性。針對公網訪問需求，如工業物聯網云平臺系統對設備數據的訪問，提供了MQTTAPI（C/C＋＋/C＃）的訪問方式，可支持整形、浮點以及字符類型的數據傳輸，通過調用API，位于公網的云平臺系統可以實現設備的遠程監控與管理。對于應用客戶端及可視化看板的訪問，則采用B/S架構，用戶在局域網內通過終端上的瀏覽器，便可對系統進行操作。
1．2系統網絡拓撲
典型的定形機控制系統由PLC、I/O及HMI組成，其中PLC是控制系統的核心，用于對定形機連續控制，相應的過程變量也存儲其中，因此，在進行組網設計時，通常是利用PLC作為網絡節點。市場上中高端的定形機產品多數配置的是西門子S7系列PLC，例如S7－300、S7－1500等，這類PLC功能強大，接口豐富，提供了多種通信協議，可以直接利用基于以太網的協議來進行組網，連接方便，配置簡單。而低端定形機產品則多數配置的是國產小型PLC，這類PLC通信能力較弱，基本只提供串口通信方式，因此，在與上位機進行組網時，通常需加裝網關或者協議轉換器。系統的網絡拓撲如圖2所示，為了兼容車間里不同類型的定形機，提供了多種組網方式。對于集成了雙換機的定形機PLC，可以采用菊花鏈式連接方式，將各機臺串列起來后直接接入局域網與集中控制管理服務器進行通信；對于只提供了單網口的PLC，可以采用星型連接方式，將鄰近機臺一起接入交換機后，再統一接入局域網；對于只提供了RS－485或RS－232等接口的PLC，可以先利用Mod-busRTU等協議進行組網，通過協議轉換網關處理后再接入局域網與中控服務器進行通信。集中控制管理服務器采用OPCUA與各機臺進行通信，對于不支持OPCUA的機臺，可利用協議轉換網關來進行中轉。根據現場機臺的數量，可以選擇不同配置的服務器，單臺服務器最多可支持64個機臺的接入。
2主要功能設計
2．1設備管理
設備管理功能可以實時在線監控所有機臺運行狀態，當異常情況發生時可在第一時間通知管理人員。此外，通過長期采集與分析機臺運行及生產數據，可以計算其設備綜合效率（OEE）。標準的OEE計算方法如圖3所示。通過統計機臺的作業時間，能夠輕松地計算出其時間開動率；根據排產及批次實際生產數據，可以計算其性能開動率；結合排產情況與QC結果，可以計算其質量合格率。OEE是針對生產設備的操作、維護和管理的組合，涉及不同的生產要素，通過OEE，可以分析時間、效率及質量損失的原因，最大化地提高設備生產力。設備管理模塊還集成了維保系統，可以定期或者根據一定條件提出保養計劃，并提醒管理人員執行。對于一些日常的保養，例如除塵、加潤滑油等，可以按照定期執行的方式，預先在系統中輸入維保項目及周期，系統便會自動生產一份周期性地維保計劃。對于像損耗件更換這類項目，則可以按照條件執行的方式，預先在系統中設定好條件（例如可以通過統計機臺的運轉時間來決定何時更換某零件），臨近達到條件時，系統將會提前制定維保計劃。
2．2數據采集與監控
通過與各機臺的PLC建立OPCUA連接，根據預先配置好的參數列表，服務器可以實時地從各機臺讀取數據?？蓮臋C臺讀取的數據多為實際的運行數據，例如主鏈速度、幅寬、超喂、每節烘箱的溫度、風機速度、布面濕度等。服務器以1s的周期實時從各機臺讀取運行參數，并顯示在界面上，同時，后臺程序還會以30s的周期對這些數據進行存檔操作，并持久保存在數據庫中，以方便后續進行問題追溯。以相應的權限登錄系統后，還可以進行機臺數據的改寫操作，例如可以實時改寫主鏈速度、烘箱溫度等工藝參數，實現遠程操控，可以幫助生產管理人員提升問題處理的效率、擴大管控范圍。
2．3排產管理
設計了手動和自動兩種排產方式。采用手動排產方式，需要操作人員錄入批次號、工藝參數，并指定生產機臺以及生產時間。采用自動排產，則排產系統會自動從ERP接收生產指令，并根據訂單、批次及機臺的情況進行規劃，合理安排生產機臺以及生產時間，當滿足生產條件時，則會自動將工藝參數下發到機臺，并開始生產。在自動排產流程中，最關鍵的步驟是生產約束條件計算，如圖4所示。自動排產調度的約束條件包括以下幾個方面。a．工藝要求約束。不同型號的機臺其規格有所差別，所能滿足的工藝要求也不一樣，例如幅寬范圍、最大行機速度、烘箱節數、最高溫度，甚至包括生產品質，因此，其所適應的品種會有所差別。在排產時，首先需要排除不能滿足工藝要求的機臺，將滿足要求的機臺放入到可選集合內。b．機臺維保約束。機臺需要定期進行維護或者保養，此段時間內為不可用狀態，需要合理避開。此外，當機臺突然出現故障需要安排維修時，所指派的待產工單也需要重新進行規劃，避開維修時間。c．拆缸約束。當一個訂單拆分為多個批次生產時，為了保證大貨質量一致性，同一訂單批次盡量安排到規格接近的機臺生產。當上道工序拆分批次同時進行排產時，盡量安排到同一機臺連續生產。d．并缸約束。當多個訂單需要合并到一個批次生產時，必須要保證各訂單為同類產品，工藝要求一致。e．工序約束。在規劃批次執行時間時，必須要保證其前道工序已經完成，且已完成定形前的準備工作，否則需要延遲生產時間。f．優先級約束。加急訂單、臨近交期或已延誤訂單需優先安排。g．換班換單約束。批次開始及結束的時間應盡量避開換班時間，以提高生產效率。此外，還需要盡量避免大量訂單在同一時刻開始或者結束，防止工人資源沖突。排產的功能界面可以直觀地了解當前訂單的排產狀況、在線訂單的生產狀態，以及已完成訂單信息的查詢。同時當出現異常情況時，還可以進行人工干預，以保證訂單的順利生產。
2．4能耗統計
定形機主要能源介質為電、蒸汽或者天然氣，通過在機臺加裝電表或者流量計，PLC便可以實時讀取能耗值，集中控制管理系統通過數據采集功能，便可以將各機臺的能耗數據讀取并存儲到服務器中。通常各種能源儀表輸出的是累積值，因此，系統需要結合日歷以及排產信息，才能夠按日、月、季、年，或按批次、訂單統計相應能耗數據。系統會將各機臺的能耗與參考值進行對比，標記出能耗異常的機臺，以提醒管理人員進行排查。同時，將同類型機臺的能耗數據進行排序，重點突出能耗表現優秀的機臺，幫助設備管理人員或者設備制造商進行能耗優化時提供參考。此外，按批次、訂單統計的能耗數據可以同步到ERP系統中，從而準確計算出訂單的能耗成本，方便進行成本核算。
3應用與分析
企業A有拉幅定形機8臺，分布在兩個不同車間，所有機臺均支持OPCUA，其中一個車間內無局域網接入端口。項目實施周期共6個工作日，其中網絡部署用時3個工作日，系統調試用時2個工作日，培訓用時1個工作日。項目實施后，利用數據追溯功能，解決了以往產品瑕疵難以分析定位的問題，同時充分利用維保管理功能，大幅降低了設備故障發生率。企業B共有拉幅定形機17臺，車間內分布有局域網接入端口，部分舊機臺不支持OPCUA，需加裝協議轉換網關，系統需要與ERP及助劑輸送系統集成。項目實施周期共13工作日，其中網絡部署用時5個工作日，系統集成調試用時7個工作日，培訓用時1個工作日。項目實施后，企業實現了自動化的生產任務規劃及生產過程管理，與實施前對比，設備利用率提高約30％，生產效率提高約20％，現場人工減少25％。多個現場的實際應用表明，該系統能夠快速適配不同型號機臺、快速適應不同應用場景，現場組網方案靈活，調試簡單，系統功能完善度高，開放性好，能夠快速與第三方系統集成。應用該系統后，能夠集中管理分布在車間各處的機臺，提高了現場透明度和管控能力；通過對機臺的運行狀況及能耗數據進行分析，可幫助改善設備性能，提高機臺利用率，降低能源消耗；實現了數據的上傳下達，使得建設數字化的生產流程成為可能。
4結論
4．1設計了一種定形機集中控制管理系統，其采用了模塊化的設計方法，對設備管理、數據采集與監控、排產管理、能耗統計等多個功能模塊進行了整合。4．2采用OPCUA對機臺進行組網，并提供了ODBC、MQTT、HTTP等訪問方式以便與外部信息系統進行集成。該系統功能完成度高，現場組網及調試簡單，開放性好。多個應用案例表明，該系統能夠實現對機臺的集中管控，幫助企業實現自動化的生產與管理流程，提高生產效率與質量，降低綜合成本，可在染整智能制造建設過程中發揮重要作用。
作者:韋帥 林志鵬 陳紅軍 單位:佛山市三技精密機械有限公司