高世平，曹锦江，杜欣如，赵建峰，张建华

(南京工程学院自动化学院，江苏南京 211112)

0 前言

工业4.0的提出极大推动了制造业信息化迅速发展，制造业自动化、信息化水平不断提高，越来越多的制造企业采用自动化生产线的方式从事生产制造活动。车间自动化设备也更加多元化，如工业机器人、数控加工设备、AGV小车、嵌入式系统设备等。底层设备的多元化也给车间数据采集与传输带来了难题[1]。现代工业控制系统呈现出设备越来越复杂、设备间多子系统的复杂控制过程的特点，不同子系统间数据格式不同、通信协议不同、处理过程不同阻碍了实时有效的数据交换。被动的集成不同厂商设备接口协议，增加了系统的开发难度及延长了开发周期，阻碍了制造企业信息化的建设。为了解决这一问题，设备制造商需要提供统一的设备协议，OPC(OLE for Process Control)规范由此诞生。OPC技术通常采用C/S模式，支持TCP/IP协议及远程调用。利用面向对象的程序设计方法将不同厂家、不同规格型号的智能设备，通过工业控制软件进行通信连接实现数据交换[2]。宋庭新和李轲[3]将OPC技术应用于工业机器人数据采集系统中，通过OPC技术与机器人ROS系统相结合，获取机器人的状态、异常情况、各关节电机的速度等数据，实现了车间工业机器人的在线监测方法。卢志远等[4]将OPC技术应用于数控机床加工检测中，利用数控加工中刀具磨损与切削力、震动、温度等因素的相关性来间接测量刀具的磨损量，实现了加工过程中刀具磨损状态在线监测方法。

为了简化企业管理流程，提高生产效率，一个稳定、可靠、高效的监控系统是不可或缺的。大部分企业车间监测系统采用C/S(客户端/服务器)架构模式，这些监测系统资源共享和各部门间协同性能差，不支持循环周期长的管理项目[5]。对于车间生产管理缺少可视化展示，主要通过图纸以及各类监测数据来反映工程实际运行情况[6]。导致管理人员不能直观看到车间设备运行状态，不能及时了解生产情况，直接影响整个企业的工作效率。张本宏和王新[7]将B/S架构引入汽车远程诊断，车载终端通过3G网络向汽车远程诊断服务器提起连接请求，服务器通过在线诊断并实时把诊断结果传送给车载终端，车载人员通过相关故障码就可以判断车辆故障。帅义等人[8]将B/S架构引入石油管道检测过程中，通过建立数据模型、创建数据库等手段，实现了石油管道完整性管理系统，系统具备高后果区识别、完整性评价、风险评价等功能，可以多部门、多用户同时访问，响应速度快。

综上所述，基于OPC技术及B/S架构技术的可视化系统已经取得了一定的研究成果。通过OPC技术做好自动化设备的数据采集、处理以及搭建合适的数据模型，是实现可视化的重点。将B/S架构应用到企业的远程监控系统上，可以实现企业生产过程的动态显示，在提高企业的管理效率和水平方面具有重要的意义[9]。本文作者根据制造单元的特点，开发出可视化监控系统，该系统通过图表形式对设备的状态检测、订单详情、仓储情况以及生产管理数据进行展示，能够对企业制造车间的智能化管理提供帮助。

1 制造单元框架结构

1.1 制造单元系统结构

制造单元系统主要由6 个部分组成：加工区、分拣区、装配区、仓储区、中控区及云平台。加工区主要由数控加工中心、数控车床以及上下料机器人组成。分拣区主要由并联机器人和智能相机组成。分拣区的智能相机可以通过颜色、外形等方法来识别、筛选和检验零件。装配区主要由 2 台串联机器人组成，通过机器人的插入旋转等动作完成零件的协同装配。仓储区主要由1台三轴直角机器人和立体仓库等设备组成。各区之间通过传送带进行连接，通过变频器满足各部分速度控制需求。中控区主要由本地服务器、MES系统和可视化看板组成，MES 系统用于现场信息管理，本地服务器用于现场数据采集以及远程服务器与云平台连接，可视化看板可用于车间现场展示。云平台包括云服务器及远程可视化，云服务器负责接收本地服务器过程数据，并进行处理及保存，为远程可视化提供数据支撑。远程可视化可用于企业管理人员或与企业管理网站相结合[10]。制造单元系统结构组成如图1所示。

1.2 系统的网络通信技术框架

根据小型制造单元远程可视化要求，设计了系统网络通信技术框架[11]。网络技术框架为4层结构，包括设备层、接口协议层、数据层及管理层，具体如图2所示。

设备层是车间自动化生产线的资源层，包括加工设备、工业机器人、AGV小车、嵌入式设备和立体仓库等。加工设备主要是根据工艺的设计要求完成零件的加工，工业机器人主要是完成装夹、筛选、装备等工作，AGV小车及立体仓库可以配合完成物料的存取工作，嵌入式设备主要是完成整个自动化线及制造单元的控制工作。设备层是完成生产活动、实现生产数据采集的实体基础。

接口协议层是根据设备的接口及协议情况，确定采集数据的方式。接口主要包括以太网、485接口、串口等。通信协议主要包括OPC协议、MODBUS协议、企业专用协议等。数据采集及可视化的前提是根据各设备的接口及协议获取所需的过程数据。

数据层是把数据进行打包分类，分成设备、仓储、零件的数量及质量等。从设备的运行情况、仓储的出入库记录、零件的数量及质量来展示车间的生产过程。

管理层是整个框架的顶端，功能是对经过处理的制造过程数据进行组合、展示。用户可以通过可视化看板实时了解车间的生产状况。除了车间的可视化看板外，还可以通过网页远程浏览车间实际生产情况。

1.3 数据采集方案设计

制造单元是由控制PLC、传感器、数控加工设备、机器人等设备构成，控制PLC负责协调控制制造单元运转，其中可视化需要的数据大部分是由控制PLC产生，控制PLC使用罗克韦尔公司的L24、L36以及Micro850系列，PLC可以很方便地通过以太网接口以及OPC协议实现数据采集。数控加工设备在制造单元中起着重要的作用，数控加工设备使用的是FANUC0iF系列数控车床及加工中心，而FANUC数控装置采用专用FOCAS协议实现数据采集。

控制PLC是制造单元的核心，其数据采集是可视化最重要的部分。OPC技术是基于客户端服务器架构，选用第三方OPC服务器KEPServerEX实现PLC的数据采集。在OPC服务器中，分别选择设备的品牌、设备名称及通道进行基本配置，其中L24、L3系列PLC选用TCP/IP Ethernet通道，Micro850系列的PLC选择Modbus TCP/IP Ethernet通道。对于TCP/IP Ethernet通道，服务器通过标签与PLC数据进行对应；而对于Modbus TCP/IP Ethernet通道，服务器通过Modbus映射地址对应。对应OPC服务器配置画面如图3所示。

在项目中采集数据，需要编写对应的客户端程序。客户端程序采用C#语言调用Interop.OPCAutomation.dll动态链接库，依次读取配置文件、创建服务器对象、与服务器进行连接，然后判断连接是否成功；如果连接成功，向服务器添加数据节点，接着获取节点数据、写入节点数据。

服务器提供一套获取数据的实时机制，即采用订阅方式从服务器获取数据。设备端数据状态发生变化，服务器会自动通过DataChange函数传回改变后的实时状态数据。控制命令通过OPC的异步写命令完成，当客户端向服务器发送写入数据请求后,不用等待消息的返回就可以进行其他事务的处理, 在这种方式下,数据访问效率更高。客户端程序设计流程如图4所示。

数控机床是制造企业不可或缺的制造设备，其数据采集也是可视化很重要的组成部分。数控机床选用FANUC0iF系列数控车床及加工中心，FOCAS动态链接库是FANUC公司提供给用户针对数控系统数据实时采集的一组API函数，支持HSSB和Ethernet 2种连接方式，数据采集软件流程如图5所示。函数能采集数控系统的工作模式、主轴信息、伺服信息、CNC文件信息、程序信息、刀具参数、管理信息、历史信息、PMC信息和报警等信息的数据，监控画面如图6所示。

2 可视化

数据可视化本质上是提取数据信息生成图表，而将采集后的数据进行整理分析就变得十分重要。对生产数据进行整理分析、设计模型，结合远程可视化监控系统的数据需求，在数据库中建立对应的数据表，以便可视化系统能够直观地体现车间运行状态。可视化系统网络框架主要由C/S结构和B/S 结构。采用 C/S 结构的系统具有响应速度快、交互能力强的特点，但在安装、维护与管理方面的难度大。B/S架构是对 C/S结构升级创新，具有维护简单和共享性强的特性。文中采用基于B/S架构来开发远程监控系统，用户仅需要通过在浏览器输入对应域名或IP地址，就可以访问到服务器的数据，能够及时掌握车间的生产状态。

2.1 数据模型的建立

将车间生产活动抽象表示为车间资源数据模型，车间资源数据模型由多个对象数据模型组成，主要包括设备状态数据表、加工状态数据表、检验数据表等。根据车间资源数据模型，对生产过程中资源对象、生产数据、数据名称及数据类型进行描述，如图7所示。车间资源数据模型包含多个对象数据模型，每个对象数据模型都有对应的数据表，每张数据表可以包含若干个条目，条目包括数据的编号、名称、类型、数值等。

2.2 可视化网络框架

可视化网络框架主要由本地服务器、本地可视化看板、云服务以及远程可视化监控客户端组成。本地服务器负责数据采集，系统的控制软件采用C#语言，基于．NET Framework 平台开发，直接使用C#模拟HTTP协议发送post或get请求，把采集到的数据发送到云服务器。云服务器的后台程序解析数据包提取有效信息，再通过SQL技术保存到数据库对应的数据表中。

远程可视化监控客户端是由浏览器构成，通过web服务器程序获取数据库中对应数据，实现生产数据图表的显示。云服务器可以租用阿里、腾讯以及华为的ECS云服务器，在服务器端安装SQL数据库，搭建服务器环境；也可以使用花生壳等装置实现内网穿透，搭建自己的服务器。整个系统的网络结构如图8所示。

2.3 可视化技术

远程可视化监控系统是基于B/S架构，依托网页来实现可视化的展示。使用 HTML建立自己的web网站，网站运行在浏览器上并由浏览器来解析。HTML是web程序的前端，负责页面内容的展示，一般处理程序是web程序的后台，负责获取数据库的数据以及逻辑运算。前台通过ajax技术异步获取后台数据，后台通过Request来获得前台发过来的数据，根据前台的请求内容，获取数据库对应表中内容，并转换成JSON格式，再经过Response反馈到前台。网页的可视化可以通过柱状图、折线图、饼图等来展示，主要使用的是百度公司提供的ECHARTS控件，通过配置需要显示的数据以及显示格式，非常方便。

2.4 可视化展示

可视化主要解决了制造单元常规运行管理，包括了设备状态的检测、订单情况、订单百分比的显示、毛坯及产品库存情况以及制造单元生产管理数据。通过图表、饼图、柱状图、折线图等多种方式，直观地展示了制造单元的生产运行状态。设备状态检测，通过红黄绿指示灯，分别表示设备处于故障、待机维修、正常运行3种状态。通过指示灯的颜色，再到左边对应设备名称查看对应关系，管理者就能很方便地查看设备状态。通过表格及饼图，管理者能够通过可视化看板，看到下单时间、下单各产品件数以及各产品之间百分比。通过毛坯库存、产品库存，管理者就能了解到毛坯剩余情况、产品货架剩余空间。生产数据只展示了企业一天生产目标曲线，用红色来表示。绿色表示实际生产过程的曲线，管理者通过大屏能够清晰地了解到企业实际的生产情况，不需要下车间看记录，极大地方便了企业的管理，可视化看板如图9所示。

3 结论

研究表明：将 OPC、SQL、B/S架构技术应用于远程可视化监控系统是可行的，能够直观地显示出制造单元中设备状态、订单详情、仓储情况以及实际生产管理数据。提出系统的总体技术框架，通过分析底层设备的接口以及各通信协议的特点，提出基于OPC技术的数据采集方案，并通过PLC、数控加工设备进行举例分析，验证技术框架的可行性。结合制造单元结构与检测特点，通过数据处理得到可视化需要的数据模型，并基于SQL技术实现数据的存取，为远程可视化提供数据支撑。通过网页前后台技术以及Echarts技术，把数据库中数据图形化展示到网页上，让管理者和操作者对生产过程一目了然，为企业制造车间管理提供了参考。