自动化产线实时监控系统的设计与实现方法

刘旭

[摘    要]随着我国工业化自动水平的提升，对于车间管理数字化水平也提出了更高的要求。在这样的情况下，自动化产线实时监控系统逐步应用于生产的各个环节中，进而为故障快速定位与优化管理奠定基础。基于此，对自动化产线实时监控系统的总体架构进行分析，对数据采集、数据传输、数据处理等方面的技术应用加以探究，进而有效推进其中核心模块与关键技术的具体实践，促进全方位管理水平的提升。

[关键词]自动化;实时监控系统;数据处理技术;数据采集技术

[中图分类号]TP277 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–000–04

[Abstract]With the improvement of my country's industrialization automation level， higher requirements have been put forward for the digital level of workshop management. Under such circumstances， the real-time monitoring system of the automated production line is gradually applied to all links of production， thereby laying the foundation for fast fault location and optimized management. Based on this， analyze the overall architecture of the real-time monitoring system of the automated production line， explore the technical applications of data collection， data transmission， data processing， etc.， and effectively promote the specific practices of the core modules and key technologies， and promote all-round management The level of improvement.

[Keywords]automation; real-time monitoring system; data processing technology; data acquisition technology

近年來，信息化技术的蓬勃发展使得工业生产进入到全新的发展领域，而大数据、虚拟制造技术以及数字孪生等理念的引入也为工业智能制造的发展奠定了坚实基础。然而就当前的发展水平来看，我国工业车间的数字化水平仍有较大的提升空间，加上相关人员往往会将管理重点放在设备运行性能上，在一定程度上忽略了车间整体加工流程与监管的优化，因此有必要不断加强产线监控系统的设计与完善。

1 自动化产线实时监控系统的研究意义

现阶段，我国智能制造领域迎来了长足的发展，包括先进的智能监控技术、数据采集技术等。信息技术开始被引入到车间生产过程当中，为数据的采集、存储以及分析过程提供稳定的技术支持。与此同时，为进一步确保数控机床、自动化设备等的稳定运行，应充分应用虚拟模型与物理数据对其进行实时监控。当前，越来越多国内外的学者开始投入到相应的技术研究当中，其主要研究领域集中于数据采集、数据集成以及可视化监控技术等方面，虽然比较广泛但仍没有形成一个完整的体系，这也就成为了技术人员在未来发展过程中需要努力的方向。结合现阶段的发展趋势来看，其整体的发展重点主要集中于以下几个方面：

（1）车间生产过程中会涉及到各类来自不同厂家的不同型号的设备，因此会存在一定的数据信息互通与兼容问题。在这样的情况下，技术人员需要不断加强对数据采集系统的开发，保证其可以适应不同特定环境下的要求，并提供完善的系统解决方案。

（2）要想及时掌握产线各类设备的运行情况，就需要加强对监控系统的研究。在以往的监控过程中，大多采用二维图表的形式，不仅难以获取良好的交互效果，同时还存在监控不全面的问题。在自动化监控系统的运行下，应实现对物料信息、人员信息、设备状态、产品信息等内容的全覆盖。

（3）数字化转型已经成为我国制造行业发展的必然趋势，因此有必要结合车间生产的实际情况对可以实现建模、性能仿真、实时监控等多功能的信息平台展开系统研究。总体来说，制造业数字化发展趋势对于车间生产提出了更高的要求，加强对自动化产线实时监控系统的研究不仅可以实现对车间设备的统一管理，同时还可以提升整体生产进度的交互性与可视化，更好地满足虚实融合环境下的发展要求。

2 自动化产线实时监控系统的总体架构

2.1 数据特点

通常情况下，车间自动化产线在运行过程中可能会涉及到PLC、AGV、数控机床等各种类型的设备控制系统，各个设备之间通过相互协调来进行生产要素的合理配置，从而最大限度提升生产资源的利用效率。具体来说，自动化产线的数据特点主要包括以下方面。

（1）多源异构性。自动化产线会涉及到多样化的加工运输设备，因此其中也包括多种操作系统。在这样的情况下，各类数据之间难以有效互通，造成信息孤岛问题的加剧。

（2）动态繁杂性。自动化产线在运行的过程中其动态数据也是在不断变化的，同时还具有数据量庞大以及更新速度快的特点。

（3）关联协同性。为进一步提升各设备控制的精准性，自动化产线中的相关数据往往需要构成一个完整的闭环。例如总控向子系统发送指令之后，子系统需要结合生产环境以及自身状态进行判断，并向总控发送不同的反馈信息。因此，自动化产线数据在进行生产任务的过程中具有关联协同的特点。

2.2 功能设计

自动化产线实时监控系统的核心任务在于满足车间的信息化监控管理需求，其内部也需要进行一定的功能设计，而功能设计的具体内容将会直接影响到监控系统最终的运行效果。具体来说，自动化产线实时监控系统的功能主要涉及到以下方面。

（1）数据的采集、存储与集成。监控系统可以有效实现对PLC以及数控系统等的访问，进而获取设备上的关键信息，确保可以将这部分信息与设备的运行状态存入到网络云数据库中。值得注意的是，数据库内部还存在相应的数据传输通道，为数据之间的实时交互提供便利条件。

（2）实时监控。监控系统所展示的内容主要可以分为两个大类，一类是虚拟环境中数据之间的映射关联，展现出三维模型的动态变化;另一类是各类设备的实时运行状态，进而有效完成对工业生产的全过程跟踪。

（3）订单管理。监控系统可以完成简单的订单处理与产量统计工作。

（4）系统管理。主要包括用户管理、权限分配、任务查看等方面的工作。

2.3 框架体系

车间生产环境具有较强的复杂性，包括十分多样化的智能设备与非智能设备，进而可以在一定范围内实现自我控制与自我调节。结合当前实际运行情况来看，车间生产环境中的非智能设备主要包括光电传感器、伺服电机、气缸等，而智能设备大多为具有中央控制系统的设备，可以有效连入工业以太网并进行数据采集。值得注意的是，包括西门子、欧姆龙在内的很多智能设备生产厂家会通过设置基于OPC技术开发的数据接口来为后续产线运行相关数据的采集与分析提供便利条件，或由上位机与数据库搭建信息采集处理平台进行数据采集与处理。系统将进一步便于用户进行数据采集与分析，令设备的利用频率显著提升，这样可以减少总体的工作量，让相关人员从物理底层设备的开发中解放出来，进而将更多的精力投入到关键数据的分析与处理当中。为提升整体系统运行的流畅性，监控系统的整体体系框架结构仍会按照常规数据采集、数据存储以及数据分析的流程进行。

3 自动化产线实时监控系统数据采集与处理技术

3.1 数据采集技术

目前智能制造的自动化产线实时监控系统在进行数据采集的过程中主要应用的是PLC通信技术，其主要涉及到服务器连接、点位数据显示等模块。基于PLC的数据采集客户端程序运行流程主要包括。

（1）用户进入到OPC客户端并启动。

（2）用户需要完成相应的窗口初始化与运行程序初始化的任务，在完成之后系统会对XML文件信息进行读取，同时待访问的PLC地址会通过窗口进行显示。

（3）系统会对OPC Server服务器端进行连接，并保证客户端地址与PLCIP地址处于同一网段。

（4）在完成PLC硬件连接工作之后会对客户端相关数据进行更新，并将其储存到数据库中。

（5）断开PLC客户端服务器连接，并结束整体程序的运行。在PLC数据采集技术运行的过程中，最关键的环节就是采集对象、采集周期以及数据库储存周期的确定。为提升车间整体的运行效率，可以将采集对象设置为XML文档，为后续的开发提供便利条件;考虑到数据采集与储存的实时性，可以将PLC数据采集周期设定为250 ms，但还会进一步根据后续的监控效果进行调整。

3.2 数据传输技术

数据传输的对象主要为数据采集区域、数据库与监控环境，而数据传输技术是主要是在Socket通信原理的基础上构建相应的数据库服务器端，从而实现各个模块之间数据的有效传输。Photon Server服务端的构建是Socket通信原理在自动化生产环境下一种十分重要的表现形式，同时在TCP/IP协议的基础上完成数据传输，并通过Socket来进行数据的组织与实现。Socket通信架构具体实现连接的途径主要包括。

（1）完成服务器端与客户端的创建，同时还需要进行Server Socket端口号的绑定。

（2）建立服务器端与客户端之间的连接。

（3）根据使用协议中的内容，由客户端写入数据、服务端读取数据，并进行相互之间的数据交互。

（4）完成数据的读写以后还需要由客户端发送结束连接，代表整体的数据传输流程结束。

3.3 数据处理技术

自动化监控系统涉及到的数据信息主要包括静态数据与时变数据。其中静态数据主要包括设备型号及其参数等，而时变数据则主要包括设备运行状态与生产进度等，这部分数据并不会一成不变，而是会随着时间而发生改变。为进一步提升数据处理的有效性，自动化监控系统可以引入数据库建模方法对这部分数据进行高效存储与读写。在此过程中，需要对数据库的基本结构进行优化设计，进而實现提升读写性能、减少数据冗余以及提升数据一致性的目的。

4 自动化产线实时监控系统核心模块与关键技术

4.1 数据采集系统

在实时监控系统设计过程中，需要联合数据采集系统，对监控数据进行汇总分析，而后指引监控系统调整监控范围，并为总控中心系统提供可靠依据。因此，在系统研发阶段应加强数据采集系统的开发。在系统运行时，常需要通过数据采集、数据分析、数据存储对监控信息进行合理利用，既能维护生产车间的自动化生产安全，又能预测生产趋势，以便提前消除不良隐患，为生产计划的顺利完成给予保障。作为实时监控系统中的子系统，数据采集系统在其设计环节，要求同通讯程序建立密切关联，即实时监控系统运行的同时，也将启动数据采集子系统。而后从监控界面采集有用数据，并实施自动化存储，以供管理者及时掌握车间自动化生产过程中的实际情况。同时可以在全程回放、定位回放不同模式下查询采集存储的数据，借此优化自动化产线监控效果。

4.2 监控系统设计

在监控系统设计当中，鼠标点击交互技术占据了十分关键的地位，鼠标点击交互可以最大限度地发挥三维监控系统的交互性，实现多维度的数据信息获取，增强对于设备运行状态的了解。鼠标点击交互是实现交互功能设计的重要途径，相关技术具体的实现流程主要涉及到以下环节。

（1）通过用户鼠标完成信号点击。

（2）在点击之后完成坐标值的获取。

（3）结合坐标位置、深度以及视野范围等具体参数来实现坐标值的转换。

（4）通过摄像机与坐标位置连接，并模拟发出射线，判断射线与场景模型的位置关系。如果在第一次操作过程中实现相交，那么就可以直接进行数据返回，并完成操作响应;如果射线与场景模型不相交，则需要由操作人员返回到第一步，并完成上述鼠标的点击过程。

4.3 自动化数字集成系统搭建

在数字化与信息化技术的应用下，自动化数字集成功能在自动化监控系统中实现了更加突出的应用。总体来说，构建相应的数字集成系统主要是为了提升车间运营管理水平、降低浪费，同时落实有效的安全生产流程。具体来说，自动化数字集成系统的构建主要可以分为以下方面。

（1）数据的采集、汇聚与展示。自动化数字集成系统可以有效获取虚拟环境下的设备运行状态等相关信息，并可以通过多样化的形式将其展现出来。

（2）在数据孪生的驱动下，自动化数字集成系统可以更好地实现对生产运行状态的监控，并在实时监控的基础上进一步实现过程优化与远程控制。对于物料信息、设备状态、操作情况、生产计划等数据加以分析，并作出进一步指令。

（3）生产运行过程的优化，在信息化技术的支持下，可以结合系统模型构建各个生产指标之间的连接与相应机制，可在计划调度、故障预警、管理决策方面显示出十分突出的作用。

5 自动化产线实时监控系统的未来发展

随着数字化发展理念的不断深入，自动化产线监控系统也将会得到更加广泛的研究与应用，结合其现在的发展情况来看，自动化产线实时监控系统的未来发展方向主要集中于以下方面。

（1）除了数控机床以及PLC相关设备以外，三坐标测量仪、RFID等设备的数据采集方案还有待进一步设计与研究。

（2）现阶段，自动化产线实时监控系统在实际运行的过程中还存在监控信息有限、提取困难等问题，同时在设备运行状态的分析与可视化方面也会面临一定的困难。因此在未来发展的过程中，可以在现有基础上进一步引入故障预测算法等技术方法，确保可以在第一时间对各类设备进行故障预警，并逐步降低故障发生的概率。

（3）可以推进三维可视化監控功能与MES系统的融合，一方面可以为监控功能提供更加稳定的平台，另一方面还可以进一步丰富MES系统的表现形式。

（4）现阶段三维监控的数据类型与可视化功能仍然较为单一，因此可以在后续发展过程中引入数据分析与采集等内容。

（5）可以推进三维监控系统向平台监控软件的转化，促进其适用性的提升，同时加强对客户端的代码优化，确保其可以获得更加良好的监控效果。

（6）将虚拟现实技术引入到监控系统当中，进一步为其拓展更加广阔的应用平台。

6 结束语

信息化与数字化技术的发展使得车间工业生产进入到全新的领域，为进一步提升整体流程运行水平，应在现有基础上加强对各环节的监控与管理，进而自动化产线实时监控系统应运而生。作为信息化时代的产物，监控系统的应用有效推进了工业企业的数字化转型升级，而在实际运行的过程中，相关人员应加强对其运行特点、功能设计以及框架体系的掌握，为工业自动化监控系统的优化奠定基础。

参考文献

[1] 吴双玉，陆艺，郭斌.制造车间设备远程监控系统开发[J].仪表技术与传感器，2021（6）：72-76.

[2] 田学华，胡祥涛，魏一雄，等.智能车间数字孪生系统开发架构与关键技术标准研究[J].标准科学，2021（S1）：49-65.