王思，胡志敏，尹招磊，郑少宏

（1.云南白药集团股份有限公司；2.红云红河集团昆明卷烟厂，云南 昆明 650500）

随着全球制造技术转型升级，以信息技术和自动化技术深度融合为主要特征的新一轮科技革命与产业变革已经到来，大批企业以数字化、网络化、智能化制造技术应用为重点，力图依靠科技创新，提升企业自身软实力，谋求未来发展的主动权。

近年来，大量专家学者对车间数字化建设进行了大量研究与实践。王诚意等基于Wicc 实现车间数字化管理与控制系统设计，提高了企业的生产效率与管理水平；沈文彦通过OPC 技术整合现场各控制系统的实时数据，实现了MES 系统的数据快速高效的交互功能；乔彬在传统生产线基础上，增加信息化系统，实现制造管理过程信息在生产过程各环节中共享与展示；章秋生指出应用OPC 技术可以很方便的建立第三方设备与DCS 系统之间的数据通讯；罗凤等描述了一种智能工厂体系架构，并建立智能工厂总体体系框架结构；蔡萌萌等表明在大数据时代背景下，数据挖掘可以提供高效、实时和准确的多维数据分析、报表统计，为企业运营分析提供全面支持。但由于国内许多制造企业生产设备老旧，生产工序复杂，以及工人在生产时随意性操作等原因，其实际生产过程中的可靠性及信息化等还远达不到数字化生产的需求。

某传统制造车间在生产与管理上存在如下一些典型问题：（1）车间生产工序较多，其生产线各工位均使用单机设备，无法实现生产过程数据汇总、存储、查询以及分析；（2）无法全面实现整个作业区设备故障记录及诊断方法的记录，多次出现的故障的解决技能、经验的无法传承；（3）备品备件采购、保管、使用较为分散，无法实时快速汇总、更新库存信息，实现备品备件最优管理；（4）产品、订单、人员信息未进行有效关联，无法精确对人员进行有效考评。针对以上存在问题，采用先进的自动化、信息化技术设计一套适用于该生产车间的生产管理系统，实现生产过程数据自动采集、在线监测以及数据分析，并集班组管理、订单管理、设备维护管理和备品备件管理于一体的高效、科学化管理。从而实现生产过程、生产计划以及现场管理全过程的有机结合起来，使之能够运用先进的数据处理与分析技术进行生产分析与管理，推动生产车间向数字化管理迈进。

1 车间数字化信息交互系统设计方案

为实现底层数据自动采集及顶层数据深度挖掘并反馈指导底层，本设计以产品生产全周期数据为中心，采用C/S 结构和“集中管理、分布监测、灵活构建”的思想，以一台计算机作为核心服务器，工厂内部局域网为主要通讯媒介，实现对生产活动管理以及生产过程数据监测、采集、存储、运算、分析，构建可靠性强、效率高、共享度高的信息管理模式，如图1 所示。

图1 车间数字化信息交互系统信息管理模式

（1）过程数据采集端，各工位控制器将其底层传感器独立采集的过程信号处理转换为上位机可识别的数据信息，并通企业局域网与数据库服务器和数字化信息管理系统进行数据交互。

（2）数据库服务端，数据库服务器主要实现生产过程数据存储，不同实体信息关联功能，为数字化信息管理系统实现产品追溯查询、过程数据分析、挖掘提供数据基础。

（3）数字化系统运用端，数字化信息管理系统深入挖掘生产过程数据背后隐藏的信息、知识、智慧，并实现数据可视化，以更为直观、高效的方式强化、指导管理者进行决策分析。

2 系统功能设计

为满足设计需求，车间级数字化信息交互系统分为生产监视、设备维护、数据分析、生产计划、员工管理等功能模块，如图2 所示。生产监视模块为现场信息看板，其实时展示各工位生产状况；数据分析模块基于数据库数据实现可视化展示，充分挖掘人对可视化信息认知优势；生产计划模块实现订单、班次和人员关联管理；设备维护模块以构建本车间设备故障诊断知识库为目的，最终实现人员技能、知识共享与传承；备件管理模块实时更新库存，实现车间备品备件最优库存；用户管理模块主要提供系统用户新增、删除以及权限分配功能。

图2 车间数字化信息交互系统功能模块设计

图3 OPC 在控制系统中的位置

3 OPC Server 部署

OPC 是一种连接PLC、DCS、条形码读取器等数据提供源（OPC 服务器）和数据使用者（OPC 应用程序）之间的软件接口标准，以实现不同供应厂商的设备和应用程序之间数据交互。随控制系统构成不同，其作为数据提供源的OPC 服务器既可以是和OPC 应用程序在同一台计算机上运行，也可以是在另外的计算机上独立运行。如图3 所示，OPC 接口可通过网络把最底层的控制设备的原始数据提供给作为数据使用者（OPC 应用程序）的HMI/SCADA，批处理等自动化程序，甚至更上层的历史数据库等应用程序，也适用于应用程序和物理设备的直接连接，所以OPC 接口广泛应用于具有高度柔软性系统中。

KEPServerEX 是PTC 公司推出的一款专业的OPC 服务器软件，支持超过250 种通信协议，几乎能和所有的第三方数据设备进行通信。本文选择KEPServerEX 作为第三方OPC Server 完成对各工位过程数据的读写。OPC Server 配置流程如图4，KEPServerEX 测试结果如图5 所示。

图4 OPC Server 配置流程

图5 KEPServerEX 测试

4 数字化信息交互系统实现

本设计基于Visual Studio 2017 开发平台完成，VS2017 具有强大的设计器，编译器，调试器等，不仅整合了对象、关系型数据、XML 的访问方式，使语言更加简洁，且其具有丰富的可调用控件，以及设计过程中自动提示和重构功能，功能强大、方便、实用。

4.1 基于OPC DA Server 的数据读写过程实现

利用C#开发OPC 窗体应用程序时，实现OPC 自动化接口的OPC 包装库是必须的，这个OPC 包装库一般会由OPC 服务器的供应商提供，本设计使用OPC 基金会提供OPCDAAuto.dll（可在www.opcfoundation.org 下载），开发前需将OPCDAAuto.dll 添加引用到项目中。

在OPC 数据存取规范中, 一个OPC 的数据存取服务器中包括三类对象：服务器对象(OPC SERVER)、组对象(OPC GROUP)和数据对象(OPC Item)。以下为C#访问OPC SERVER 开发的部分程序。

（1）创建OPC Server 对象，并连接

OPCServer KepServer;

KepServer.Connect(KepServerEX.V6,”Wangsi-PC”);

（2）创建OPC Group 对象，并添加到OPC Server 中

OPCGroup KepGroup;

KepGroups = KepServer.OPCGroups;

KepGroups.Add(“MyGroup”);

（3）创建OPC OPCItems 对象，并添加到OPC Group 中

OPCItems KepItems;

KepItems = KepGroup.OPCItems;

KepItems.AddItems(this.OPC List.Count,ref strTempIDs, ref strClientHandles, out strServerHandles, out iErrors);

（4）定时异步读取OPC Server 数据

KepGroup.AsyncReadComplete += KepGroup_AsyncReadComplete;

void Kep Group_Async Read Complete(int Transaction ID, int NumItems, ref Array ClientHandles, ref Array ItemValues, ref Array Qualities, ref Array TimeStamps, ref Array Errors)

（5）异步写入OPC Server 数据

Kep Group . Async Write ( NumItems,writeServerHandles, writeArrayHandles, out writeErrors, writeTransID, out writeCancelID);

（6）断开连接

KepServer.Disconnect()。

4.2 人机交互界面开发实现

根据统功能模块设计需求完成相应windows 窗体设计开发如图6 ～9 所示（部分）。

图6 系统监视主界面

图7 系统数据报表

图8 统计数据分析

图9 系统应用现场

系统监视界面中实现各工位实时数据、班组信息展示以及重点工艺参数监视；数据报表中以订单号为主键，整合班组、产量关联信息；统计数据分析根据历史数据实现查询条件内数据可视化展示。系统开发完成后，按照实际工艺流程分别对各功能模块进行测试，并核对系统数据和现场数据保持一致，可将本系统应用于实际生产车间。

5 结语

本文以开发和利用数据资源为对象，借助互联网开放、共享优势，基于C#与OPC DA 技术开发车间级数字化信息管理系统，实现生产过程数据整合、记录、分析与共享，确保各生产数据真实、完整、可追溯，并建立相关事件处理知识库，依托系统采集的大数据优势，摒弃以个人主观经验为向导的事件诊断方式，由系统提供最优解决方案，有助于提高制造车间生产效率和管理水平，其对传统制造车间向数字化生产、智慧管理升级具有一定的借鉴作用。