基于云架构的车间数据感知与智能管理系统

陈 波，杨旭东

（贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025）

0 引言

中药制药产业是我国医药工业的重要组成部分,是我国国家大力发展的重要产业。智能制造是中药制药产业未来的发展趋势。数字车间是实现智能制造的重要环节,它通过有效融合工业互联网、云计算、大数据等前沿技术,改进与提升现有管理手段、生产技术、生产质量,降低生产成本,达到生产效率的最大化的目的。实现数字车间的关键环节是制造资源数据的实时动态感知,在数据感知的基础上通过数据融合实现智能化管理。文献[1]在MES环境下,构建了基于OPC（OLE for process control OPC）技术的生产数据实时采集模块,实现可动态配置的生产过程监控。文献[2]提出了打破企业各个系统之间的数据孤岛,通过运用数据集成、数据挖掘等技术实现生产过程质量的提高。文献[3]从实现生产过程实时监控基础上,通过实现过程控制和优化系统的方式来稳定产品质量的方法论。文献[4]利用近红外光谱技术的“过程轨迹”的原理,在实验室应用该技术来实现中药制药的过程监控。文献[5]研究了基于OPC技术来实现自动化生产线的数据采集和可视化监控。文献[6]提出了在云架构下基于标准语义模型,利用OPC技术和QIF（Quality Information Framework QIF）技术实现的制造车间数据采集方法。文献[7]基于物联网、信息集成、数据采集等技术,研究了离散车间制造过程状态监控的解决方案。

某中药制药生产车间具备以下特征：

1）工艺复杂、质量标准高；

2）车间生产装备技术水平仍然较低、自动化水平比较有限、标准化水平较低；

3）由于建设时间跨度大,受限于当时的技术水平,车间装备和信息化系统发展不平衡；

4）装备没有实现良好的数据感知,重要的生产数据无法保存下来进行利用,信息化各系统之间相互独立,出现数据孤岛,信息无法共享。以上这些原因,导致该企业制药车间不能有效采集制造资源数据,不能有效利用制造数据进行分析决策。

基于以上现状问题,同时考虑到便于企业进行数据共享和系统融合,本文基于云技术,研究中药制药车间数据感知与智能管理技术方案,并开发了相应的原型系统,验证方案的可行性并在某中药制药企业进行了应用,助力该企业对生产现场数据的实时感知,实现制造资源的跟踪管理,提高了企业的生产管理水平、提升生产效率和生产质量。

1 数据感知与智能管理系统的需求分析

通过对某企业中药车间生产现场及管理需求进行实地调研,系统需要实现制造资源数据的实时感知,能同步生产过程执行管理系统（Manufacturing Execution System,MES）、企业资源计划系统（Enterprise Resource Planning,ERP）等上层系统的订单和排产数据,同时为上层系统提供实时、可靠的底层数据支持,总结归纳需求有以下几个方面：

1）数据共享：同步上层系统数据,获取订单任务的排产计划数据。提供对外数据接口,共享系统数据。

2）设备监控：实现车间制药设备的运行状态、运行数据的实时感知,并对数据进行清洗、分析、存储。实现对设备运行情况的可视化监控。

3）故障监控：实现设备故障数据的采集,如故障码、故障发生时间及故障解除时间。实现各类故障的发生频率和累计时长等统计数据查询,为故障解决提供数据支持。

4）生产进度：实时查看订单进度、批次进度数据,为排产提供可靠数据支持。

5）现场看板：基于数据感知,结合车间管理需求,提供现场电子看板,有利于现场及时掌握生产情况、任务进度和任务安排。

6）质量管理：实现检测数据的采集和管理,统计质量数据,为质量问题提供数据支持,重点关注相关生产参数的运行情况。

7）数据分析统计：通过对数据的感知-清洗-存储-分析-应用,对数据进行科学统计分析,采用可视化图表进行展示,实现生产过程的可视化跟踪管理,为生产管理决策提供可靠数据支持。

2 数据感知与智能管理总体技术框架

本文提出的云架构下数据感知与智能管理系统的技术架构如图1所示,从物理端视角分为企业端和云端两部分。从数据视角分为数据源、数据感知、分析存储集成、数据共享和数据应用五层。

图1 云架构下数据感知与智能管理系统架构

设备端主要包含设备层,其功能主要是设备的硬件组网,实现云端服务器与设备之前的通讯。云端包含数据感知层、数据处理层和智能管理三层。感知层主要实现与设备通讯的各种协议,接受应用层的数据感知指令并传递给设备同时接收设备的反馈信息。数据处理层主要功能为对感知数据进行语义转换、清洗去噪、通过规则引擎处理数据,为智能管理层实现车间数据实时监控、生产过程的可视化管理、任务调度和质量监测提供数据流。智能管理层通过对数据应用实现车间智能化管理。

3 基于OPC UA协议的数据感知

3.1 基于OPC UA协议的数据感知网络架构

在中药制药车间生产现场,为实现多源异构数据的实时采集,本文提出一种基于OPC UA（OLE for Process Control Unified Architecture,过程控制统一对象模型）的数据采集网络架构,如图2所示。

图2 OPC-UA数据感知网络架构

在生产车间现场,存在不同的生产设备和相关的制造资源数据,这些异构的数据源支持不同的私有协议[8]。利用OPC UA服务器模式实现设备数据感知,形成标准的车间层数据格式,并通过车间层网络交换机与云服务器进行实时交互,实现车间现场数据的实时感知[9],利用云服务器对数据进行分析和融合处理。

3.2 OPC UA协议的数据感知与传输

如图3所示为OPC UA数据感知方法,OPC UA服务器对上响应数据感知服务器的感知请求,在内部经底层通信发送请求指令到OPC UA通信栈,OPC UA通信栈通过内部API在在一个或多个节点上执行指令,从而实现设备数据感知。数据感知服务器在获取数据后可以用于各类构架在此数据服务商的应用提供数据[10]。

图3 OPC UA数据感知方法

OPC UA支持调用和订阅两种模式请求数据,考虑到带宽压力和服务器压力。采用订阅的数据交互方式,当OPC UA客户端和服务器建立连接之后,在OPC UA服务器有数据变化时才会推送数据到客户端。

4 云架构下智能管理系统设计

软件系统在满足功能需求的同时,具体功能的实现方式、系统的易用性、扩展性、稳定性和运行效率也决定着系统的利用价值,所以功能模块的分析和设计是系统顺利实现的关键一环。基于需求分析等准备工作,对系统进行了功能模块的设计,其功能模块结构如图4所示,主要分为设备监控、进度管理、电子看板、质量管理、报表统计、设备配置、基础管理等7个模块。

图4 系统功能模块

1）设备监控：设备监控分为单体设备监控和以生产线为单位的产线监控两部分,单体设备监控可以查看设备实时状态,可以查询设备在某一个时间段内的状态占比,故障统计数据以及生产数量等信息。产线监控可以查看生产线上设备的实时状态,产线的生产任务和任务完成情况数据。

2）进度管理：进度管理模块可以根据数据感知计算结果实时显示生产订单的完成进度、生产批次的完成进度信息,有利于车间管理者及时调整工作计划。

3）电子看板：电子看板根据中药制药车间分布设计,分为包装、提取、固体和液体车间看板,看板集中显示车间现场关注的信息,例如设备实时状态、设备故障监控、生产任务完成情况等。

4）质量管理：质量管理分为质量报告和质量统计两部分,质量报告通过同步质量管理系统数据实现质量报告的即时查阅,同时根据质量报告数据进行质量数据的统计分析。

5）报表统计：报表统计主要根据数据库的历史数据进行处理和分析,实现企业各类关注指标的统计和对比,例如不同时间段内设备的利用率对比分析、产能分析等。

6）设备配置：包含设备信息和互联配置,设备信息用于对进行数据感知的设备进行信息维护,例如新增需要进行数据感知的设备信息。互联配置用于对需要进行数据感知的设备配置ip地址、端口号等信息。

7）基础管理：基础管理是系统的基础模块,主要维护用户信息、权限信息等基础功能。

5 系统验证

系统通过云部署实现基于云端的应用,通过与ERP系统对接获取订单任务,通过设备数据感知实时掌握订单生产进度,通过实时数据感知显示设备在生产现场的设备运行情况,缩短了现场任务派发、故障处理的时间,提升生产效率；通过电子看板通过部署在车间实现通过云端配置以及车间的现场可视化管理。同时设备底层数据感知也为上层MES系统等提供可靠的数据来源。

如图5(a)所示为系统登录后的界面,左侧为系统菜单。用户可根据查询内容点击相应菜单,例如设备配置、电子看板等。在我的桌面上,显示了昨日的生产进度以及相关设备的利用率等统计信息,以及正生产订单的实时进度情况。如图5(b)所示为设备的运行监控统计数据,上部分分别为设备利用率、设备状态占比和设备运行效率统计图,柱状图部分为设备故障的统计分析图,可以直观展示设备各类故障的累计时长,企业可重点解决设备故障频率高、时间长的故障,提升设备运行效率。

图5 智能管理系统界面

6 结语

为解决中药制药车间生产过程中异构数据的感知和基于数据感知的智能管理问题,本文提出了一套基于云架构下的数据感知和智能管理框架,开发出了系统并在某中药制药企业应用,切实解决了中药制药车间之前没有数据支撑进行现场管理和决策支持的问题。

基于云端的应用有利于企业内部系统之间的数据共享、企业与企业之间的数据共享。设备数据均是实时感知和存储的,系统运行期间会产生大量数据,云端应用可提供成熟且性价比高的数据存储和处理方案。

本系统分为设备端和云端两部分,采用B/S架构进行开发。设备端主要完成设备组网,数据感知、数据分析和功能应用均在云端完成,基于云架构的模式使得企业易于进行系统集成和数据共享,同时也为MES系统提供了可靠的数据支持。B/S架构使得用户端方便使用,利用系统提供的实时数据监控功能和各类统计分析图表快速进行决策分析,提升车间管理效率。