1、,lljIIjlllllllllllllllTJ z J _ l l l 9 l l l l l z l l l j 3 1 l l l l z r l l l i l l分类号：T P 2 7 7密级：公开单位代码：1 0 4 2 2学号32 0 1 4 1 2 7 7 3户蒙只季硕士学位论文T h e s i sf o rM a s t e rD e g r e e(专业学位)论文J 匝目：面向智慧工厂的柔性数据采集监控系统的研究S t u d yo nF l e x i b l eD a t a A c q u i s i t i o na n dM o n i t o r i n gS2、 y s t e mf o rS m a r tF a c t o r y作者姓名武蟹强培养单位扭煎王壅堂瞳专业名称扭选王提指导教师堂丞毯墼塑合作导师2 0 1 7 年d 月1 8 日万方数据势粪鸷；密缀。_ 弋p 胡7公耳荦链代鹨；1 0 4 2 2攀号：z o t+t z _ 7 7 3山东凡毫硕士学位论文Y h e 霪垂b 薹泰疆凌s 专e fD e g r e e(专业学位)论文蘧毽：面向智毽L 厂们衷-段教槲、当妊纪的仇危j 呐。y 乩触局c 沙 觚吼“黼r o M当蜥争屈叫J槔者楚绪葬攀专业名指警教会作导塞煎煎搦一一一链，拯越曼强薹。鼠餮机越士歪塾帮筵羞竺遣擞狮2bf7 年牛周膳鹜3、万方数据C l a s s i f i e dI n d e x：T P 2 7 7AT h e s i sS u b m i t t e dt o|I I lll lII l lI l lU lI II IlY 3 2 3 9 2 3 2t h eF a c u l t yo fG r a d u a t eo fS h a n d o n gU n i v e r s i t yf o rt h eD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gS t u d yo nF l e x i b l eD a t aA c q u i s i 4、t i o na n dM o n i t o r i n gS y s t e mf o rS m a r tF a c t o r yC a n d i d a t e：W uZ h i q i a n gS c h o o l：S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS p e c i a l t y：M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS u p e r v i s o r：P r o f Z h a n gC h e n g r u iS h a n d o n gU n 5、i v e r s i t yA p r i l1 8 t h,2 0 1 7万方数据原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：弛缓日期：凌!Z、【，婆关于学位论文使用授权的声明本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他6、复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：型迓耋亟导师签名匕窆蝤期：逸丑丛万方数据目录目录摘要iA B S T R A C T i i i第1 章绪论11 1课题研究背景和意义一11 2国内外研究现状21 2 1设备集成与数据交换技术标准现状21 2 2异构设各数据采集与监控技术现状31 2 3柔性数据存储技术现状41 3论文研究内容和结构说明5第2 章柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计72 1监控系统需求分析72。1 1生产监控系统基本需求72 1 2针对小批量多种类快速生产的新需求72 2柔性监控系统方案分析和设计82 2 1系统的框架设计82 27、 2系统硬件通信方案选取92 2 3系统软件架构设计112 3本章小结1 4第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模1 53 1监控数据的抽象1 53 1 1监控数据的特点和分类1 53 1 2数据对象映射地址空间设计1 63 2生产系统和设备信息建模1 73，2 1生产系统的层次划分1 73 2 2 监控变量描述1 83 2 3变量组描述一1 9万方数据山东大学硕士学位论文3 2 4设备类型和子类型描述1 93 2 5设备信息描述2 03 2 6车间和生产线描述2 03 3监控系统的文件描述2 l3 3 1可配置需求分析2 l3 3 2设备描述库构建2 23 3 3系统描述文件2 23 8、4本章小结2 4第4 章柔性设备数据交互模块设计2 54 1常用设备通信协议分析2 54 1 1常用设备通讯多样性分析2 54 1 2设备通讯协议分类和抽象2 64 2设备数据交互设计2 84 2 1设备联接：多级动态并行应答机制2 84 2 2数据处理：开放式协议驱动库2 94 2 3数据映射：高效数据处理内核3 24 2 4事件驱动队列机制3 34 3基于O P CU A 的远程数据访问接口设计3 44 3 1数据接口标准的选取3 44 3 2O P CU A 地址空间设计3 54 3 3与上层应用的数据交互接口3 74 4本章小结3 9第5 章生产监控数据实时显示与存储4 15 1实时显9、示控制终端界面设计4 15 1 1组件化监控终端界面4 l5 1 2O P CU A 客户端数据获取接口定义4 25 2历史生产监控数据的存储4 45 2 1离散化生产数据存储的分析4 4万方数据目录5 2 2可配置生产监控数据库设计4 65 2 3数据库管理应用程序设计5 25 3本章小结。5 3第6 章原型系统测试与应用5 56 1应用背景及需求简介5 56 2生产监控系统的配置过程5 66 2 1现场设备和采集数据的分析5 66 2 2远程监控功能的配置。：5 86 3监控系统的试运行6 16 3 1实时监控功能6 16 3 2生产监控历史数据的分析和应用6 26 4本章小结6 3第7 10、章总结和展望6 57 1工作总结6 57 2研究展望6 5参考文献6 7攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况7l致谢7 3万方数据C O N T E N TC o N T E N TA B S T R A C T(I nC h i n e s e l iA B S T R A C T(I nE n g l i s h)i i iC h a p t e r1I n t r o d u c t i o n 11 1B a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f r e s e r c h 11 2S t a t eo f t h e l r11、 t：11 2 1D e v e l o p m e n to f d e v i c ei n t e g r a t i o ns t a n d a r d 21 2 2S t a t u so fh e t e r o g e n e o u se q u i p m e n td a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y 31 2 3S t a t eo f t h ea r to f f l e x i b l ed a t as t o r a g e 41 3R e s e a r12、 c hc o n t e n t s 5C h a p t e r2A r c h i t e c t u r eD e s i g no fF l e x i b l eD a t aA c q u i s i t i o na n dM o n i t o r i n gS y s t e m 一72 1A n a l y s i so fd e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m 72 1 1B a s i cd e v e l o p m e n tr e q u i r e 13、m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m 72 1 2N e wr e q u i r e m e n t sf o rr a p i dp r o d u c t i o no fs m a l lq u a n t i t i e s 72 2F l e x i b l em o n i t o r i n gs y s t e ms t r u c t u r ea n a l y s i sa n dd e s i g n 82 2 1D e s i g no fs y s t e mF r a m e w o r k 82 2 2S e l 14、e c t i o no fs y s t e mh a r d w a r ea n dc o m m u n i c a t i o ns c h e m e 92 2 3D e s i g no fs y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r e 112 3S u m m a r y 1 4C h a p t e r3A n a l y s i sa n dM o d e l i n go fE q u i p m e n ta n dM o n i t o r i n gD a t ai nD i s c r e t eP r o d u c t 15、i o nS y s t e m 1 53 1A b s t r a c t i o no f m o n i t o r i n gd a t a。1 53 1 1C h a r a c t e ra n dc l a s s i f ym o n i t o r i n gd a t a 1 53 1 2D a t ao b j e c tm a p p i n ga n da d d r e s ss p a c ed e s i g n 1 63 2M o d e l i n go f p r o d u c t i o ns y s t e m sa n de q u i p m e16、 n ti n f o r m a t i o n 1 73 2 1C l a s s i f i c a t i o no f p r o d u c t i o ns y s t e m s 1 7；万方数据山东大学硕士学位论文3 2 2M o n i t o r i n gv a r i a b l ed e s c r i p t i o n 1 83 2 3V a r i a b l eg r o u pd e s c r i p t i o n 1 93 2 4D e v i c et y p ea n ds u b t y p ed e s c r i p t i o n 1 917、3 2 5D e v i c ei n f o r m a t i o nd e s c r i p t i o n 2 03 2 6W o r k s h o pa n dp r o d u c t i o nl i n ed e s c r i p t i o n 2 03 3F i l ed e s c r i p t i o no f t h em o n i t o r i n gs y s t e m 2 13 3 IC o n f i g u r a b l er e q u i r e m e n t sa n a l y s i s 2 13 3 2D e v i c ed 18、e s c r i p t i o nl i b r a r yb u i l d。2 23 3 3S y s t e mp r o f i l ef i l e 2 2：；4S u m m a r y：1 4C h a p t e r4D e s i g no fF l e x i b l eE q u i p m e n tD a t aI n t e r a c t i v eM o d u l e 2 54 1C o m m o ne q u i p m e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n a l y s i s 2 54 19、1 1C o m m o ne q u i p m e n tc o m m u n i c a t i o nd i v e r s i t ya n a l y s i s 2 54 1 2C l a s s i f i c a t i o na n da b s t r a c t i o no fd e v i c ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 2 64 2D e v i c ed a t ai n t e r a c t i o nd e s i g n 2 84 2 1D e v i c ec o n n e c t i o n20、：M u l t i l e v e ld y n a m i cp a r a l l e lr e s p o n s em e c h a n i s m 2 84 2 2D a t ap r o c e s s i n g：O p e nl i b r a r yo f p r o t o c o ld r i v e r 2 94 2 3D a t am a p p i n g：E f f i c i e n td a t ap r o c e s s i n gk e r n e l 3 24 2 4E v e n t-d r i v e nq u e u i n gm e c h21、 a n i s m 3 34 3R e m o t ed a t aa c c e s si n t e r f a c ed e s i g nb a s e do nO P CU A 3 44 3 1S e l e c t i o no f d a t ai n t e r f a c es t a n d a r d s 3 44 3 2O P CU Aa d d r e s ss p a c ed e s i g n 3 54 3 3D a t ai n t e r a c t i o nw i t ht h eu p p e ra p p l i c a t i o n 3 74 22、4S u m m a r y 3 9C h a p t e r5P r o d u c t i o nM o n i t o r i n gD a t aR e a l-t i m eD i s p l a ya n dS t o r a g e 415 1R e a l q i m ed i s p l a yc o n t r o lt e r m i n a lu s e ri n t e r f a c ed e s i g n 4 15 I 1C o m p o n e n tm o n i t o r i n gt e r m i n a li n t e r f a c e 4 23、15 1 2O P CU Ac l i e n td a t aa c q u i s i t i o ni n t e r f a c ed e f i n i t i o n 4 2万方数据5 2S t o r a g eo f h i s t o r i c a lp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gd a t a 4 45 2 1D i s c r e t ep r o d u c t i o nd a t as t o r a g ef o r ma n a l y s i s 4 45 2 2C o n f i g u r a b l ep 24、r o d u c t i o nd a t a b a s ed e s i g n 4 65 2 3D a t a b a s em a n a g e m e n ta p p l i c a t i o nd e s i g n-5 25 3S u m m a r y 5 3C h a p t e r6S y s t e mP r o t o t y p eT e s t i n ga n dA p p l i c a t i o n 5 56 1B r i e fo fa p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dr e q u i r e25、 m e n t s 5 56 2C o n f i g u r a t i o np r o c e s so f p r o d u c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 5 66 2 1A n a l y s i so f f i e l de q u i p m e n ta n da c q u i s i t i o nd a t a 5 66 2 2C o n f i g u r a t i o no f r e m o t em o n i t o r i n g 一5 86 3T e s ts y s t e mc o m m i s26、 s i o n i n g 一6 16 3 1R e a l t i m em o n i t o r i n g 6 16 3 2A n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no f h i s t o r i c a lp r o d u c t i o nm o n i t o r i n gd a t a 6 26 4S u m m a r y”6 3C h a p t e r7S u m m a r ya n dO u t l o o k 6 57 1S 哪m a r y 6 57 2O u t l o o k 一6 5R e f e r e n27、 c e 6 7P a D e r sP u b l i s h e da n dR e s e a r c h sA t t e n d e di nt h eP e r i o do fM a s t e rE d u c a t i o n 71A c k n o w l e d g e m e n t 7 3万方数据摘要摘要智能化是制造业发展的新方向，智能制造已成为国际竞争的新一轮焦点，“智慧工厂”的概念也随之提出。而实现智慧工厂，将人工智能在生产制造行业的应用需要依赖大量生产数据的支持。如何从现有生产线大量异构设备中采集各种数据以实现工厂自动化是智慧工厂实现的基础。当前我国制造业自动28、化水平还不高，车间信息化程度与国外还有较大差距，尤其体现在管控系统的通用性、可扩展和可重构性上。随着消费者对产品功能和特性的定制化需求不断提高，定制化生产成为了新的趋势，生产线的柔性随之增加，以非标自动化设备为主的组装检测生产线研发周期不断缩短。目前的生产管控系统大多针对特定生产线或是标准机床进行研发，开发周期长，不能适应快速多变的生产管控需求。现有商业组态软件虽然能够快速的完成设备监控系统开发工作，但通常价格较高，不适用于中小企业。本文针对以上问题，以消费电子产品行业为代表的小批量离散制造产品线异构设备监控管理为背景进行研究分析，遵照现有I E C 6 2 5 4 1 标准与平台无关的O P29、 C 统一架构(U n i f i e dA r c h i t e c t u r e，U A)工业通信标准，根据可配置系统设计思想对能够使车间设备快速接入的柔性集成和监控关键技术进行了探索和试验，给出了一套通过配置可使设备快速接入系统的柔性生产管控系统的实现方法，为智慧工厂在我国中小型企业柔性生产系统上的实施提供了设备快速集成和数据采集存储与应用的解决方案。首先借助系统设计模块，对生产线设备和数据建模和描述，对监控设备进行分类，构建生产线信息模型描述文件。将监控功能分为设备数据交互模块、数据存储和配置模块和显示控制终端模块分别设计，将设备数据交互、历史数据存储与显示控制功能进行分离，降低监30、控系统功能耦合。监控系统各部分模块通过加载系统描述文件的方式进行配置，将生产线抽象为信息模型在O P Cu A 地址空间映射完成模块间数据传输。在数据交互端通过开放软件协议库实现设备通信协议的转换；在数据存储端通过数据库管理工具对关系数据库进行配置，设计了离散数据动态存储模型；在数据显示端通过组件化设计，实现代码复用和快速开发。i万方数据山东大学硕士学位论文通过上述设计，实现异构设备在数据采集和设备快速接入，生产监控数据存储的灵活快速配置，提高系统的柔性。通过O P CU A 标准开放数据接口，实现柔性监控系统的网络化和外部其他生产管控程序的数据交换。最后，为验证系统的功能可靠性和扩展性，将该31、系统在手机玻璃组装检测生产线样机上进行部署测试，证明了本文所提出的管控系统实现方案运行可靠，可快速完成系统配置，能有效满足柔性生产线监控的需求。关键词：数据采集和监控系统，O P CU A，柔性，可配置万方数据A B S 翮C TA B S T R A C TI n t e l l i g e n ti st h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g，i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gh a sb e c o m ean e32、 wr o u n do fi n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i o nf o c u s，”s m a r tf a c t o r y”c o n c e p ta l s oh a sb e e nr a i s e d T h er e a l i z a t i o no fs m a r tf a c t o r i e sw h i c hi n t e g r i t yt h ea p p l i c a t i o no f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei n t ot 33、h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yn e e d st or e l yo nt h es u p p o r to fm a s sp r o d u c t i o nd a t a H o wt oc o l l e c tal a r g en u m b e ro fh e t e r o g e n e o u se q u i p m e n tf r o me x i s t i n gp r o d u c t i o nl i n e st oa c h i e v ef a c t o r ya u t o m a t 34、i o ni st h eb a s i so fi n t e l l i g e n tf a c t o r yr e a l i z a t i o n H o w e v e r，t h el e v e lo fa u t o m a t i o ni nd o m e s t i cm a n u f a c t u r i n gi sn o th i g h l ye n o u g h，a n dt h e r ei ss t i l lag a pb e t w e e nd o m e s t i cs h o p f l o o ri n f o r m a t i 35、z a t i o na n df o r e i g no n e s，e s p e c i a l l yi nt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ev e r s a t i l i t y,s c a l a b i l i t ya n dr e c o n f i g u r a b i l i t y M o r e o v e r,c u s t o m i z e dp r o d u c t i o nh a sb e c o m ean e wt r e n dw i t ht h ei n c r e a s i n gd e m36、 a n df o rp r o d u c tf e a t u r e sa n df e a t u r e sf r o mc u s t o m e r s，t h ef l e x i b i l i t yo f t h ep r o d u c t i o nl i n ei n c r e a s e sf l e x i b i l i t yt oa d a p tt h e s ec h a n g e，w h i c hm a d et h ed e v e l o p m e n tc y c l es h o r t e n e do fa s s e m b l37、 yt e s t i n gp r o d u c t i o nl i n eb a s e do nn o n s t a n d a r da u t o m a t i o ne q u i p m e n t T h ec u r r e n tp r o d u c t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mi sr e s e a r c ha n dd e s i g nf o rm o s to ft h es p e c i f i cp r o d u c t i o nl i n eo rs t a n d a 38、r dm a c h i n et o o l sw i t hal o n gd e v e l o p m e n tc y c l ea n dc a n n o ta d a p tt ot h er a p i dc h a n g e si np r o d u c t i o nc o n t r o ln e e d s A l t h o u g ht h ee x i s t i n gc o m m e r c i a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nq u i c k l yc o m p l e t et h39、 ee q u i p m e n tm o n i t o r i n gs y s t e md e v e l o p m e n tw o r k，t h e i rp r i c e si su s u a l l yt o oh i g hf o rs m a l la n dm e d i u me n t e r p r i s e st oa p p l yt h e mB a s e do nt h ea b o v ei s s u e s，t h i sp a p e ra n a l y z e st h em o n i t o r i n ga n dm a n 40、a g e m e n to fh e t e r o g e n e o u se q u i p m e n t，s u c ha ss m a l lb a t c hd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gp r o d u c tl i n e，w h i c hi sr e p r e s e n t e db yt h ec o n s u n-l e re l e c t r o n i c si n d u s t r y A c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r e i n d e 41、p e n d e n tO P CU n i f i e dA r c h i t e c t u r e(U A)i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sw h i c hi n c l u d e di nt h eI E C-6 2 5 41s t a n d a r d，t h i sp a p e rr e s e a r c ha n dt e s tt h ek e yt e c h n o l o g i e so ff l e x i b l ei n t e g r a t i o na n42、 dm o n i t o r i n gw h i c hc a nm a k et h ew o r k s h o pe q u i p m e n tq u i c ka c c e s sb a s e dt h ec o n f i g u r a b l es y s t e md e s i g nt h e o r y T h e ng e n e r a t ea万方数据山东大学硕士学位论文s o l u t i o nf o rt h es m a r tf a c t o r yi m p l e m e n t a t i o ni ns m a l la n dm 43、e d i u me n t e r p r i s e so nt h ef l e x i b l ep r o d u c t i o ns y s t e mw h i c hp r o v i d e sr a p i di n t e g r a t i o no fe q u i p m e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g ea n da p p li c a t i o n F i r s t l y,t h i sp a p e rb u i l d st h ei n f o r m a t i o 44、nm o d e ld e s c r i p t i o nf i l eo f p r o d u c t i o nl i n eb ym o d e l i n ga n dd e s c r i b i n gt h ep r o d u c t i o nl i n ee q u i p m e n ta n dm o n i t o r i n gd a t aw h i c hb a s e do nc l a s s i f y i n gt h ea c t u a le q u i p m e n tv i at h es y s t e md e s i g nm o 45、d u l ei n t r o d u c e da b o v e T h em o n i t o r i n gf u n c t i o ni sd i v i d e di n t od a t ai n t e r a c t i v er u n t i m em o d u l e，d a t as t o r a g ea n dc o n f i g u r a t i o nm o d u l ea n dm o n i t o r i n gt e r m i n a lm o d u l e，w h i c hw i l ls e p a r a t ef r o 46、mt h ed e v i c ed a t aa c q u i s i t i o na n ds e n d，h i s t o r i c a ld a t as t o r a g e，d a t ad i s p l a ya n dc o n t r o lf u n c t i o n T h e s em o d u l e so ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma r 9c o n f i g u r e db yl o a d i n gt h es y s t e mp r o f i l ef i l e T h ep r o 47、d u c t i o nl i n ei n f o r m a t i o nm o d e li nt h eO P CU Aa d d r e s ss p a c em a p p i n gc o m p l e t e st h ed a t at r a n s f e rb e t w e e nt h e s em o d u l e st or e d u c et h ec o u p l i n gi n s i d et h em o n i t o r i n gs y s t e m s I nt h ed a t ae x c h a n g es i d e48、t h r o u g ht h eo p e ns o f t w a r ep r o t o c o ll i b r a r yt oa c h i e v et h ec o n v e r s i o no ft h ed e v i c ep r o t o c o li nt h ed a t as t o r a g es i d et h r o u g ht h ed a t a b a s em a n a g e m e n tt o o l si nt h eR D B M St oe s t a b l i s hac o n f i g u r a b l ed49、 a t a b a s et oa c h i e v ed y n a m i cd a t as t o r a g em o d e l，t h ed a t ad i s p l a yt h r o u g ht h ec o m p o n e n td e s i g n，c o d er e u s e T h r o u g ht h ea b o v ed e s i g n,t oa c h i e v eh e t e r o g e n e o u se q u i p m e n ti nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n d50、m o n i t o r i n gs y s t e m，p r o d u c t i o nm o n i t o r i n gd a t a b a s ed a t as t o r a g ef l e x i b l ea n df a s tc o n f i g u r a t i o na c c e s s，i m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m T h r o u g ht h es t a n d a r dO P CU Ai n t e r f a c e，t oa c h i e v51、 ef l e x i b l em o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r ka n do t h e re x t e r n a lp r o d u c t i o nc o n t r o lp r o g r a md a t ae x c h a n g eF i n a l l y,i no r d e rt ov e r i f yt h ef u n c t i o n a lr e l i a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e m，t h ep r52、 o t o t y p es y s t e mi st e s t e do nt h ep r o t o t y p eo ft h em o b i l eg l a s sa s s e m b l yt e s tp r o d u c t i o nl i n e I ti sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi m p l e m e n t e di nt h i sp a p e rc a nb er u nr e l i a b l ya n dc a nq u i c k l yc o m p l e t e53、t h es y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dc a ne f f e c t i v e l ym e e tt h er e q u i r e m e n t sf l e x i b l ep r o d u c t i o nl i n em o n i t o r i n gn e e d sK e yw o r d s：S C A D A，O P CU A，F l e x i b l e，C o n f i g u r a b l e万方数据第l 章绪论1 1课题研究背景和意义第1 章绪论随着网络与人工智能技术的发展，将复杂信息技术与54、工厂自动化集成的“智能制造”概念应运而生，德国在2 0 1 3 年推出“工业4 0”战略，而我国也于两年后提出了“中国制造2 0 2 5”战略 1 4】。随着智能制造的提出，新技术产生和大数据在工业生产上的应用，其基础就是从设备上采集到的各种数据。但是，由于目前工业基础的薄弱，许多的概念目前仍然是愿景，还没有具体可靠的实现过程。以智慧工厂为例，目前普遍认为智慧工厂需要具备灵活、可重构、低价、具备普适性、敏捷性和精益生产这几个特性，但是直到2 0 1 4 年底，学术界仍然没有对于智慧工厂标准化的定义达成一致l s】。要实现智慧工厂，就要在企业自动化系统从顶层的企业管理层、中间过程控制层与底层现场55、设备层均实现智能化【6 。在现场设备层，随着生产工艺流程越来越复杂，越来越多的人工生产工序和非数控设备被精密自动化设备所取代，基本实现智能化。目前企业希望能够获得更高层次，设备无关的车间过程自动化，但是各个设备制造商为了保证自身开发效率和设备稳定性，仅仅支持一种技术，而不去选择实现多种技术的兼容。如何实现各种不同设备数据的采集和统一处理，进行设备之间的通信己成为系统所需解决的关键所在，许多的现场设备集成方案因此提出。定制化的生产线随用户的差异化的普及。以消费数码电子配件行业为例，因为产品品牌型号众多，产品质量管控严格，在生产和检测流程普遍应用了根据具体工艺订制非标准自动化设备构成的柔性生产线156、 7 1。如何根据一个产品和工艺快速变换的生产线，对生产的关键数据进行采集和关键流程进行控制，已经成为了目前企业所关注的热点。通常工业监控系统的开发主要通过两种方式：一种是针对传统生产线进行专门订制开发，系统的柔性和扩展性不高，对于快速迭代的产品和生产设备，需要技术人员针对新的设备重新开发生产数据采集和控制程序，开发周期长，代码重用率低，显然不适合柔性生产系统的需要；另一种是通过组态软件进行实现，虽万方数据山东大学硕士学位论文然其开发效率显著提高，但其功能和支持的平台受到所使用的组态软件的限制，功能完整的组态软件价格较高，中小型企业无法承担。随着生产控制系统正在逐步由集中式控制向网络时代的分散57、式增强型控制转变，进行去中心化和模块化设计，灵活制造和可重构制造成为了工业控制被关注的热点【s】，可定制的远程监控系统也需要具备柔性和可扩展的特性。因此，本文针对中小型企业小批量多种类的定制化生产和检测线，提出了一种通过对系统描述和配置实现系统功能修改和实现设备即插即用的柔性生产监控系统的有效的实现方法，为智慧工厂在中小型企业柔性生产线的具体实施提供了一种新的思路。1 2国内外研究现状国内外的许多专家和学者针对各种异构设备数据采集和监控进行了许多的研究。主要可以分为：设备集成和数据采集技术标准的研究、异构设备数据采集和通讯方案设计、离散和复杂生产数据存储与应用三个热点领域。1 2 1 设备集成58、与数据交换技术标准现状系统集成对于调整工业企业的所有层次以及优化层次结构中的每个层次至关重要 9 1。系统集成实现了从设备硬件和电子芯片集成不断发展到信息技术网络化软件集成的不断发展。针对车间异构设备的建模和数据交互，目前国际上已经有了几种比较通用的自动控制系统设备集成和通信技术方案。1 9 9 8 年，德国电工器材公会(Z V E I)提出了F D T(F i e l d D e v i c e T 0 0 1)技术。通过F D T 接V I，访问各种类型的由现场设备制造商提供的设备类型管理(D T M)，实现设备的管理与数据交互，设备用户能够不受限于特定的厂商与协议，解决了设备互操作的问题59、1 1 0-1 2】。但是，这项技术基于C O M 和A c t i v e 技术，不适用于网络化系统需求。2 0 0 2 年，欧洲提出了高级实时网络的开放式控制器(O C E A N)，实现了一个可以将符合该平台开放式规范的功能单元动态集成至呼系统中具备实时性的分布式控制组件集成的开放式平台【9】。2 0 0 6 年，O P C 基金会根据1 9 9 6 年为解决不同供应商设备和D C S、H M I 数据信息交互提出的，市场占用最广的O P C(O L E f o r P r o c e s s C o n t r 0 1)技术不断改2万方数据第1 章绪论进，提出了O P C 统一架构(U60、 n i f i e d A r c h i t e c t u r e，U A)技术规范，将平台软件从原先的D C O M 架构迁移到面向服务架构，将原有功能通过服务呈现【13 1。新的O P Cu A 规范具备以下几种特点：平台无关性、支持网络访问、面向对象的数据传输等【1 4】，此外还可以通过扩展支持具象状态传输(R e p r e s e n t a t i o n a lS t a t eT r a n s f e r,I 也S T)【1 5】。2 0 0 8 年，美国制造技术协会为解决数控机床网络化连接和集成，发布了M T C o n n e c t 免费开源的技术规范，通过X M61、 L 文件格式对数控机床进行特征描述，利用网络技术开发A g e n t、A d a p t e r 和客户端提供设备数据采集功能实现设备互联集成【1 6 1 7 1。目前M T C o n n e c t 规范还不支持控制指令的下发。近几年，将F D T、E D D L 与O P Cu A 结合建模对设备进行建模的研究和应用，例如A B B 的分布式现场设备集成展示了通过F D I 进行横向设备集成，通过O P C U A 实现纵向系统集成建立的吣1 9 1。虽然自动化设备集成通信标准不断提出和发展，但始终缺乏一个能够支持所有设备种类的统一标准，异构设备通信的问题并没有得到很好的解决。1 262、 2 异构设备数据采集与监控技术现状监控的基础在于从异构接口和通信网络的设备数据采集，由于被监控对象种类复杂，接口形式各异，很多设备并不能支持通用的通信协议和设备集成规范，数据采集难点在于统一设备的通信接口和适配不同通信协议两个方面【2 0】。通信接E l 的统一目前以通过设备厂商提供或第三方转换模块进行接口转换为主。通信协议的适配，目前主要分为了基于微型处理器硬件模块的协议转换实现和基于监控软件端的兼容适配实现。闫晓风等，通过开发硬件通用数据采集模块，将现场M O D B U S 和P R O F I B U S协议规范仪表数据进行数据接口统一为O P C 标准接口，实现了异构系统快速集成和63、数据采集【2 1 l。邢涛等还提出将O P CU A 服务器嵌入网关从而实现设备协议解析和标准转换的实现方式【2 2 。由于在现场大量设备上安装硬件模块成本较较高，国内外一些学者就特定的应用场合提出了一些软件化的设备集成和描述方案。组态软件是一种应用于生产车间自动化软件开发技术，使设备监控系统开发气万方数据山东大学硕士学位论文较为简单，可以基本满足快速开发的需要 2 3,2 4 1。但开发受到组态软件功能局限，不少学者针对不同需求设计了具备组态功能的软件平台。李朝辉通过使用软件构件，建立和使用工程原则搭建了支持构件复用的信息系统组态平台1 2 5 1。根据不同设备和需求通过软件实现不同设备协议64、的适配的研究。王辛辛等，利用远程虚拟驱动程序技术，通过软件编程实现对生产线中多种开放通信协议的P L C 通信兼容，实现异构设备集成与数据采集【2 6】。S e o kC h e o lL e e 等，针对于智能传感器网络的监控，提出了数据处理中间件的设计，通过设计信息服务器的中部软件层，完成系统各种监控功能【2，】。近几年主要研究方向除传统的系统监控基本需求外，向可变动和柔性监控系统不断发展，可变性是指在额外的工程和调试努力后才能适应生产系统的能力，而灵活性就是可以在没有工程设计的情况下具有生产系统中已经实现的功能适应性，最终的目标是实现设备模块的即插即工作(P l u g&W o r k)65、2 8 1。系统柔性和配置的实现主要通过对设备描述和系统建模，基于现有如X M L、J S O N 等成熟文件类型完成【2 9 1。S t e f a nH o d e k 等基于X M L 文件对设备进行描述，通过动态配置过程使监控系统支持各类设备的即插即用 3 0】。沈熠提出了一种基于X M Ls c h e m a 设备描述文件对设备建模，实现不同协议设备监控【3。桑静等，为应对用户不断变化的需求在传统S C A D A 软件基础上，采用配置文件的组态，通过配置完成多种复杂的任务【。z】。A v i k D a y a l 等，通过在传统的S C A D A 系统中引入了虚拟化的概念，提66、出了V S C A D A 平台，系统基于O P C U A 通信，借助P S S E 增强系统的灵活性，提出了软硬件混合架构仿真监控测试平台f 3 3】。R a h u lB a l a n i 等，针对传感器网络控制，提出了通过动态虚拟仪器脚本系统与控制系统内核结合实现可配置的软件重用，增加了系统软件灵活性【3 4】。1 2 3 柔性数据存储技术现状针对生产数据的存储和处理，传统的工业生产数据库针对生产线和产品的需求，采用了一套定义好的统一格式，通过关系型数据库来存储数据【3 5】。但是对于订制化生产方式所产生的离散化数据的存储是主要的难点，目前在组态软件中对于数据的维护的主要方式是使用面67、向数据集灵活的实时高效的非关系数据库4万方数据第1 章绪论N o S Q L 实现。由于N o S Q L 不支持复杂的查询语句，不易维护也与上层系统和其他数据库结合，也有不少学者对使用关系型数据库存储半结构化数据技术进行了研究。张海梁等通过数据库中间件技术使系统数据交互复杂度降低，增加信息数据存储系统的扩展性【3 6 1。肖乾等在产品工艺数据库中设计模板生成器完成数据库基本表结构的配置，从而对不同复杂产品工艺产品数据完成重构【3 7 1。徐蕾等针对非标设备离散制造的生产管理提出了根据设备物料清单建立关系数据库中表映射关系实现动态管理的方法 3 8】。王加兴在此基础上引入数据分类的思想，通过进68、一步将各类数据分为静态与动态两种类型，根据数据来源，分别建立数据模型进行存储【3 9 1。万峰等针对复杂离散装配过程，根据工作流的分析，提出利用关系数据库存储结构数据与文件数据库存储非结构数据相互配合完成数据存储的方法【4 0 1。Z h e nH u aL i u 等针对变动的数据提出了数据优先，模式延后或无模式(d a t af i r s t，s c h e m al a t e r n e v e r)的思想，通过将X M L、J S O N 存入数据库，S Q L 语句与X Q u e r y、J Q u e r y 语句结合设计灵活模式数据(F l e x i b l eS c h69、 e m aD a t a)实现数据灵活存储 4 1 。l1 3论文研究内容和结构说明本课题特别针对于中小型企业在小批量多种类产品柔性生产线对生产监控系统快速开发和可配置的特殊需求，参照目前可重构系统的设计思想和现有监控系统方案，提出了一种面向智慧工厂的柔性远程数据采集监控系统的实现方法。通过对现有设备和系统通信架构和数据格式的分析，建立系统描述文件实现了对数据监控和采集系统和数据库数据存储的灵活快速配置。参照O P CU A 统一架构实现对监控系统描述实现数据交互。第二章对柔性生产监控系统的需求进行分析，并详细说明了数据采集和监控系统硬件通信分析和软件框架模块化设计思路。第三章分析了现场设备70、和监控数据分类，并通过文件描述建立现场生产线的信息模型。第四章全面阐述了柔性远程数据采集和监控系统配置和异构设备接入与数据交互的过程并将生产下模型数据映射到O P CU A 地址空间进行数据传输的运行时程序的设计。第五章针对监控数据的展示和存储提出了基于组件的监控终端设计方法和用于生产数据存万方数据山东大学硕士学位论文储的可配置的生产数据库的设计和数据存储的实现方法。第六章将生产监控系统原型部署在实际生产线上应用和测试，验证系统的各项功能并对系统可靠性进行评估。万方数据第2 章柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计第2 章柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计2 1监控系统需求分析2 1 1 71、生产监控系统基本需求在企业中，处于信息管理层和现场设备层之间的工业监控系统，需要满足数据交互、存储、展示的基本需求：能够实现现场各类异构设备机台的集成与通信，完成实时数据收集和生产任务与部分控制指令下发；为企业其他生产管控系统提供安全可靠的信息传输接口，满足系统问数据实时大量传输；能够对监控数据的有效展示和存储，具备实时与历史数据服务功能【4 2 1。工业现场生产线设备可以为工业计算机、嵌入式系统和P L C 作为主控制器所组成的加工、组装和检测设备。现场产品种类规格复杂，生产数据来源繁多，监控系统的需要具备通用性兼容不同设备。系统需要支持多种标准通信协议，并将其集成在系统中，支持开放接口可以72、方便的添加新的协议，能够解决企业生产中各个设备中存在“信息孤岛”的问题，工业监控系统层为企业资源企划(E R P)系统和企业资源管理系统。监控系统需要提供一个通用的规范化的接口，完成生产数据在设备层和管理系统快速高效的传输。设计生产监控数据的存储方式能够完成生产监控数据的存储的能力，具备历史信息统计，报警和日志管理等功能。设计能够实现对生产任务规划管理、生产设备智能管控和产品质量智能管控的数据融合的存储结构。数据的展示需要一个友好的人机界面，能够查看当前设备状态并下发控制指令，通过数据或图表等形式完成实时和历史数据的展示。2 1 2 针对，J,t L t 量多种类快速生产的新需求随着以顾客为中73、心的市场导向的客户个性化订制的需求增长，快速变化的要求高度定制化生产逐渐成为全球市场的热点。客户需求难以预测，需要产品有更低的价格，更高质量，并且要求在更短的时间快速交货m】。因而生产制造系统变为模块化的灵活可重构的柔性系统，生产监控系统也需要与之匹配，提供快速开万方数据山东大学硕士学位论文发的能力以增强柔性。目前的组态监控软件和车间自动化信息系统大多针对流程制造业的大中型生产线进行定制化的开发。传统监控系统当面对多种类小批量生产这时，软件扩展性差，重复使用率低导致在系统改变时需要重新开发新的监控系统，造成大量的重复劳动使得开发周期长成本高等诸多问题。对于中小型企业以非标自动化设备为主的定制化74、生产线，目前还缺乏成熟的配套监控和车间管系统控的快速开发方案。当前的柔性生产存在快速的生产产品变更甚至是多种产品混线的频繁生产方式。每种产品的生产工艺不尽相同，加工每种产品所需机器设备不同，每种设备所需监控的变量的含义和数量并不相同。这些特点也对监控系统提出了可以通过快速配置进行系统重构的新需求和可以通过接口对系统进行扩展的需求。上述新的需求就需要监控系统能够根据不同产品和不同的设备结构进行系统快速开发，具备一定的可重构能力和扩展能力。综上所述，要实现智慧工厂车间信息化，进而提高企业效益，柔性工业数据采集和车间管控系统设计需要兼容多种设备类型，系统可重构可扩展，针对快速变化的产品规格和客户需求75、完成生产线控制和智能管理的高效开发。2 2柔性监控系统方案分析和设计2 2 1 系统的框架设计通过上述对监控系统需求的分析，根据多层系统设计思想，将工业4 0 概念中所提出的完整的远程智能生产管理与控制系统基础功能分为纵向三层结构设计：现场底层生产设备层、数据交互和处理层、监控服务和管理层。1 现场设备层现场设备层由被监控设备和通信模块组成，主要数据来源为设备主控制器。在q u,J,企业自动化生产线往往由不同厂家的定制化设备组成，设备的控制器作为采集数据主要来源，其接口形式并不统一。要实现车问生产线级别多种异构设备的远程设备监控和通信，由于设备通信接口各不相同。首先，需要将各种设备接口类型统一76、为相同的接口进行通信，并建立各个设备之问的连接。现场设备层主要解决现场设备的通信与互联问题。通过在设备通讯接V 1 安装万方数据第2 章柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计硬件接口转换模块实现车间自动化系统硬件接口兼容性，并通过统一的通信接口实现车间设备的联网。2 数据交互处理层从现场设备中收集所需信息的需要根据设备通信协议完成，除了部分设备支持如M o d b u s、O P C 等通用协议外，很多设备厂商采用自己的一套规范，例如E t h e m e t I P、D e v i c e N e t、C o n t r o l N e t 等，协议之间互不兼容。数据采集层通过针对不同的设备77、和数据通信格式对设备数据进行抽象实现设备的通讯协议和通讯模式的多样性的兼容，负责管理和车间多个设备连接并根据各个设备的通信协议完成与设备的数据交互。设备数据处理对采集到的数据进行处理，并且提供和上层监控应用的数据接口，是整个监控系统上层接口同底层数据的纽带。主要应对各种不同设备的数据按照统一的排列规范进行分类与处理，通过统一的标准在系统内部进行传输，并通过设计可配置的监控数据库完成历史监控数据的存储。为保证系统的灵活易于修改和扩展、设备即插即用并控制系统成本，选择具备较强的通用性软件方法实现异构设备的数据交换。在监控系统软件中需要以虚拟驱动扩展的形式集成常用的开放标准通信协议并提供开放的通信编78、程接口实现不同协议兼容，最终实现系统支持尽可能多的设备通讯协议。3 监控数据服务层监控数据服务层即车问监控终端，通过连接运行在数据交互模块获取实时数据，通过访问可配置监控数据库获取历史数据。其主要完成对生产设备的监控，事件报警和趋势分析功能以及对生产数据的分析，生产规划等高级功能供生产管理者参考。三层共同完成了整个车间和工厂自动化和车间级生产管控，如图2 一l 所示。2 2 2 系统硬件通信方案选取根据上节的三层划分：现场设各层主体为车间设备和接口转换模块，主要任务是解决现场设备的互联和与上层监控中心的数据交互问题；由于数据采集层与服务层主要通过软件编程实现功能，系统的硬件结构的设计主要关注现79、场设备层的设备接入与互联。O万方数据山东大学硕士学位论文岛国国信息化系统生产监控数据库车问A 监控服务器车间B 监控服务器其他数据库图2-I 柔性监控系统的硬件结构设备控制器的通信接口类型可以分为基于串行总线(R S-2 3 2 4 8 5)基于T C P I P 网络通信和无线通讯接口(蓝牙、红外、R F I D)等其他接口等通信的P L C、仪表和传感器等仪器设备，其中以串口和网络接口的通讯端口使用最为广泛。目前市场上已经拥有了成熟的接E l 转换技术和产品，可以在各种接口通过硬件转换对数据进行透明传输，只需要确定统一接口的类型选用适当的模块。通过分析串口和网口两种接口，由于网络传输支持多80、种拓补结构，支持长距离高速传输，且T C P 协议可以保证传输可靠性。进一步考虑到工业自动化已经从集中监控和集散控制转变为基于网络的分布式控制模式，通过网络接口更加符合现代化工业控制系统的需求。又考虑到使用有线网络连接收到网络端口数量限制，增加车间布线和设备组网难度，无线网络已经在工业现场得到较为广泛的应用 4 4 1。在进行生产线变动时，通过工业无线通信方式可以实现快速组网方便配置，故选用通过无线网络实现监控系统和设备控制器的通信连接。综上所述，系统设备通信端口通过以太网或通过串行接口加装硬件模块转换为以太网的方式加入到车间网络中与数据交互服务器连接。由于无线连接易收到l O万方数据第2 章81、柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计车间设备电磁干扰，选用工业级抗干扰的U S R 6 3 0 串口网络数据传输模块(D a t at r a n s f e r u n i t，D T U)。支持串行接口通讯的各个设备控制器可以通过加装D T U 模块，将模块的串口R S 2 3 2、R S 4 8 5 端与被监控设备的通信端口相连，将串口数据转换成T C P 数据包格式，将设备接口统一为网络接口完成设备通信接口统一。对于支持网络接口通信的设备则直接完成设备接入。各个设备和控制模块通过与服务器端通过路由器接入厂域网，设备之间通过监控主节点进行数据交换。借助数据传输模块，监控系统整体可以建立82、一个一主多从的星型拓补网络结构，监控系统主站可以和从站设备进行通信，各个设各之间可以通信通过监控系统的调度实现传输数据。通信模块配置和具体建网步骤为：现场被监控的设备通过与串口网络数据传输模块建立串口连接。设置模块串口的通信参数与控制器端一致，数据直接传输无需额外处理。网络接口端设置模块工作方式为S T A 从站模式，与车间数据采集服务器链接到同一个无线网络接入点。各个机床模块作为T C P 连接客户端，主动与车间数据采集服务器服务端建立通信，车间监控系统数据处理中心作为T C P 服务器监听。将D T U 的M A C 地址与D T U 的I P 进行绑定，使静态通信模块I P 地址与被监控83、设备逐一对应，并将I P 地址作为设备识别符号。在设备连接后，通过I P 地址可以获取设备的所有信息。针对设备制造厂商的售后故障诊断功能需求，需要将设备数据传输至设备供应商进行存储的，可以将数据传输模块换为基于移动互联网的数据转发模块，可以通过移动网络将设备运行信息传输到远程设备制造商服务器，系统数据采集与处理存储系统放置在设备供应商一方。由于G P R SD T U 的I P 地址动态变化，采用G P R S 转换模块特有的登陆数据包，在模块连接服务器时，就会发送登陆数据包，通过登陆数据包传输设备I D，代替w i F i 模块的I P 作为识别符号，完成设备接入时的识别。2 2 3 系统软84、件架构设计目前远程监控系统软件架构，以监控服务器客户端分离模式和监控中心与监控端集成的组建模式为主。其中，由于集成模式通常用于小型监控系统，系统高度耦合扩展性差。为方便系统的修改和维护，降低系统的耦合性，本系统架构选择数据交互服务端与监控端分离模式，将各个功能模块进行分离。1 1万方数据山东大学硕士学位论文根据对需求的分析，柔性监控系统需要满足可重构和可扩展的特性。系统的订制和重构通过设计配置系统描述文件实现，包括系统的数据采集与处理部分以及历史数据存储部分的快速更改。可扩展性通过将整个系统根据功能进行模块分离，通过各个模块之间的规范接E l，降低各个部分的耦合性。本系统的整体分为四个监控部件85、模块，如图2 2 所示。数据存储读数据交互车间数据交互运行时数据存储生产监控数据库系统设计系统描述文件编辑器数据库管理工具实时数据读取控制指令下发历史数据读取参数存储显示控制设备监控客户端H M I图2 2 系统的软件模块划分系统设计模块包括系统描述编辑部件程序，可以根据工厂的实际情况，面向生产制造系统，对监控系统按照设备、车间、工厂三个层级依次配置，生成一个对工厂生产系统设备模型进行描述的系统描述文件供监控系统其他组成程序初始化过程使用。在系统结构和产品种类或工艺变动时，通过系统设计模块进行配置，生成或修改系统描述文件，其他模块通过读取系统描述文件，灵活的适应系统的变换，实现整个系统的快速修86、改。设备数据的交互运行时模块部署在车间监控服务器上，白下而上可以细分为设备通信协议驱动抽象层、通信调度层、数据映射处理层和上层通用数据接口。程序首先通过读取系统描述文件中的设备数据定义和通信配置信息，建立内部的内存数据模型和生产设备的数据交互模型。数据采集协议抽象层主要负责处理服务器和远程硬件设备的协议解析和数据交换，将数据采集协议通过共享库封装并调用，通过轮询远程终端单元解析和获取数据，下发控制信息去控制物理设备。l 万方数据第2 章柔性数据采集与监视控制系统总体架构设计数据处理层主要是将包括从设备上获取的数据和服务器计算数据在内存中进行合理的存储；上层接口按照O P CU A 标准，通过在87、地址空间建立数据映射关系，为上层应用提供规范易用的数据接口，通过接口连接数据存储模块和监控客户端应用模块。数据交互运行时在设备接口和上层O P CU A 两层接口之间传递数据实现从设备控制器到监控界面和数据库的数据双向传递。监控系统的数据通过数据存储模块保持于数据库中。数据库操作服务程序主要功能为：依照系统描述文件建立生产监控数据库，在数据库内部建立基本表，存储设备历史数据，并进行设备参数的配方管理以及设备信息的存储。通过与各个车间的数据采集服务器建立连接，轮询获取设备实时数据，完成数据处理，并将包含时间戳的实时数据保存进数据库。在进行参数下发时，首先读取服务器配方列表，选取合适的一组参数，依88、次通过车间服务器进行数据写入操作。监控显示控制管理终端模块，包括不同类型显示程序组件、控件所组成的用户友好的人机界面，通过图形或文本进行数据显示或控制指令下发。作为系统的显示和控制终端，通过与车间监控运行时连接获得实时数据，从生产监控数据库获取历史数据。柔性远程监控系统整体框架结构如图2 3 所示。图2-3 柔性远程数据采集和监控系统整体框架万方数据山东大学硕士学位论文2 3本章小结本章分析总结了小批量多种类离散生产监控的具体需求，根据可配置和可扩展的特点，给出了柔性车间监控系统的整体设计方案。将现场设备硬件接口通过安装数据传输模块统一为网络接口，描述了系统设计、数据交互、数据存储、数据显示和89、应用几类软件模块的功能用途，设计了设备集成和数据交互的监控系统整体框架。借助系统描述文件的方式对系统进行描述，通过配置增加系统柔性，实现设备的快速接入。1 4万方数据第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模3 1监控数据的抽象3 1 1 监控数据的特点和分类离散化生产产品组装和检测过程中非标自动化设备大量使用，设备种类繁多。由于各个设备供应商不同，每种设备内部数据存储空间划分和地址位置各异。需要采集的生产监控数据种类复杂，通常包括：加工制造数据、产品数据、设备状况数据等。数据类型复杂：包括常规的数据类型及其各种组合。按照统一的规范对设备数据进行分90、类是进行数据应用的基础【4 5 ，若想实现车间设备的集成和统一管理，就要制定一个能够满足于定制化生产需求，统一描述各类设备和需要采集数据的设备信息模型。非标自动化设备作为主要监控对象结构功能差异较大，不同于传统标准机床，无法通过通用特征描述方式进行描述。离散化生产主要监控数据是过程数据，根据离散化设备数据和数据的读写属性，将现场数据重新划分为：面向生产的过程数据，包括设备运行过程中的状态数据和生产过程中的产品与物料数据；面向服务的配置数据，包括监控端下发控制指令和生产计划使用的状态控制信息与设备用户参数配置配方管理信息数据这四个类型，如表3 一l 所示。表3-1 设备监控数据分类其中，设备状态91、数据主要有：设备状态运行位置、速度、温度等反馈信息等连续变化的数据，根据配置定时存储数据的实时值；同时设备异常和报警信息设备当前开关状态在变化时进行数据日志存储。产品生产数据在定制化组装和检测的流程工业中较多，是非标自动化设备的主要数据采集对象，不随时间连续变化，数据采集周期较长，主要数据包括：与生产节拍相关的当前产量、产品检测数据万方数据山东大学硕士学位论文等，通过数据库存储如产品数据等重要信息；远程显示控制终端呈现设备当前的控制状态，用于远程监控端工作人员向监控终端设备发送的控制数据信息，控制信息主要用于远程的生产任务下发和设备故障的排除；配置参数信息，可以查询并选取在数据库中预先定义的几92、组用户参数远程写入设备控制器，设备的系统参数考虑到安全问题不加入到远程监控系统。设备厂商和客户可以根据自己的实际生产需求，通过协商约定和变更各个需要采集的数据细节以及数据所在分类位置。监控系统与设备进行数据交互和离散数据存储时，将根据数据不同的分区进行不同的处理。3 1 2 数据对象映射地址空间设计根据上述对数据的分类，通过建立外部数据源的数据存储和搜寻规范，对各个异构设备上采集的数据与设备数据分类中的数据节点进行映射，形成一个各个设备统一的数据表示框架，常用关键变量规范存储的变量空间，即设备地址映射对象字典。各个设备通过对象字典建立从设备地址到统一分类地址的数据解析，上层可以通过统一的名称访93、问各个变量的数据。参照I E C 6 1 8 0 0 7 标准对象字典定义内容，对于监控系统所使用的监控总线数据字典进行了定义。数据地址规范的制定可以通过引用相应的行业标准进行数据对象的定义，也可以与具体客户协商按照需要自行定义，通过系统描述文件的形式存储。这里将设备的开关状态变量、运行模式变量、错误代号变量等各类通用变量，规定统一命名方式的节点变量浏览名称(B r o w s e N a m e)，客户端通过预先定义的浏览路径找到相对应的节点，将每种设备上控制器存储于不同物理地址上相同类型的数据进行分类和地址空间映射，形成统一的设备地址空间数据。通过设计数据对象映射，上层监控系统无需关注如设94、备地址和变量位置等通信细节即可与设备进行数据交互，方便上层对数据的存储和应用。第四章中对数据对象映射机制完成数据地址从统一编址方式到设备虚拟元件地址的具体映射过程进行详细的描述。1 6万方数据第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模3 2生产系统和设备信息建模3 2 1 生产系统的层次划分根据总体设计中对系统的三个层级的描述，车间级：对企业内部所有的车间和生产线信息进行描述：设备级：对企业内部的所有设备按照型号与采集数据的不同进行划分，定义设备的通信细节，并以车间为单位对设备进行组织；变量级：针对每个不同的设备类型，按照上一节变量的四种分类对所需采集的数据的地址含义进行详细的定义。参考现已95、成为工业界设备集成主流的O P CU A 标准中节点的概念提供的数据信息的描述方法。根据上述的层次划分方法，因此对于监控系统对象属性的定义作为系统节点，采用扩展O P CU A 的对象和变量的标准属性来进行定义。根据节点通用属性定义，上述的层次划分各个层次的对象均包括：对象I D、显示名称、浏览名称和一个可选的设备描述这几个公共属性，所有的对象和变量以及关系节点的属性定义都需要继承包含公共属性，节点定义中需要包括所有公共属性的内容，公共节点定义如表3 2 系统对象描述公共节点定义所示。表3-2 系统对象描述公共节点定义N o d e l D 即所有对象的全局唯一的节点识别符号，在监控系统中，用96、作设备I D、变量I D 等描述信息的识别符号，为兼容I D 中可能存在的字母和特殊符号，N o d eI D 数据格式为字符串格式。D i s p l a y N a m e 作为设备对象或监控变量在监控终端界面和数据库视图中的显示的本地化名称。B r o w s e N a m e 则为系统内部非本地化名称，用于程序内部对对象进行浏览使用，通过约定此名称的命名可以实现通过数据对象映射访问定义好的变量。D e s c r i p t i o n 则可以用来存储监控系统对象的描述与相关帮助信息。下面对各个层级的对象的独立属性信息进行详细的描述。万方数据山东大学硕士学位论文3 2 2 监控变量描97、述参考制造信息规范I S O9 5 0 6 标准对于虚拟制造设备数据对象的定义，监控变量描述定义监控变量的详细信息，主要作用是实现监控系统的监控对象可配置而定义的采集变量描述，除上述公共属性外，还包括：变量设备物理地址、读写属性、访问级别等。监控变量是设备软元件上基础数据点，是数据存储和实时监控的基础数据单元。每个数据点包括以下表3 3 额外的属性定义：表3-3 监控变量额外属性描述其中，在配置监控系统的数据变量时，通过变量属性中的V a r i a b l e A d d r e s s 设备控制器上的物理元件地址属性与数据节点变量所有的N o d e l D 属性进行一对一或一对多映射，实98、现设备地址的重新划分，为上层提供各设备一致的数据接口。D a t a C a t a l o g u e 为数据分类方式，将监控数据和参数按照上文中的方式进行划分，并将数据所在区间的I D 存储在数据分类属性中；A c c e s s L e v e l 定义数据的读写访问权限。由于部分控制器只支持整形和布尔值变量的传输，因此还需要对变量进行按比例缩放处理以支持浮点型数据的传输，即定义缩放比率S c a l e 变量，在控制器端将浮点数除以缩放比率放大后取整数部分，监控端乘以相应的比率，将浮点数还原从而实现浮点数据传输。此外还可以用于设备和监控系统不同工程单位换算数值。A l a r m 为变99、量的报警标志(O 不启用，1 启用)，A l a r m R a n g e 存储变量上下限的数值，主要用于对读取数据的报警判断和对写入数据的范围进行限制。监控端可以通过读取上下限数值并与设备实时数据做比对，当实时数据超过设定值时，监控端产生报警处理。万方数据第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模为便于在服务器中进行节点的浏览和数据的读写，所有监控变量N o d e l D 采用规范的字符串统一编址命名，由统一划分为设备I D、读写数据区间索引和数据地址组成。例如2 2 3 341 0 代表设各编号为2 2 3 3 的设备在数据存储区第1 0 个的数值量可读可写数据。3 2 3 变量组描100、述在设备进行数据采集时，通常一次性读取一类软元件连续地址区间内多个相同数据类型的变量，变量组主要为实现一次采集多个变量设立的抽象概念，将变量按照其在设备上的存储位置进行划分并分组，是设备进行数据采集的基本单位。每个变量组至少包含一个监控变量，通过变量组一次性采集一个数据存储区多个连续的变量。属性描述如表3 4 所示。表3-4 变量组额外属性3 2 4 设备类型和子类型描述这里的设备类型为具有相同监控变量定义的设备，不同于传统的设备类型概念，这里除了将不同型号设备作为单独类型外，由于企业设备经常会对一种型号的设备进行不断的完善和改进设计或是在生产制造中根据实际需要进行改装，增加减少一部分功能，这101、些具有不同的监控变量定义的设备对象作为同一设备类型中的设备子类型。具备多种功能的设备按照不同种类设备子类型看待，设备类型中存储这一种类设备所有的变量描述信息。设备类型描述通过继承公共属性实现，属性如表3 5 所示。表3 5 设备类型对象额外属性描述其中，P r o t o c o l 字段用于存储设备控制器所对应的通信协议，在4 2 节中动万方数据山东大学硕士学位论文态加载驱动时可以通过协议名称加载协议解析模块。I n t e r v a l 定义设备数据采样周期和监控终端的数据刷新周期，根据各个设备种类的不同需求定义不同的数据采集频率。子类型属性定义除不含通信协议与采样周期定义外，与类型定义102、相似，在此不再赘述。3 2 5 设备信息描述设备定义描述车间基本信息和内部各个设备实例，与设备类型定义配合用于数据采集端数据解析和数据分类处理。设备信息描述用于定义每台设备类型无关的相关信息如表3-6 所示，利用设备描述中的类型I D 和子类型I D 查找设备类型定义中的信息，通过与设备信息结合可以得出包括变量定义和类型信息的设备完备描述。表3-6 设备描述额外属性其中，N o d e A d d r e s s 地址存储静态分配的设备无线联网模块I P 作为设备联网识别，在通信模块连接时完成与设备N o d e I D 的绑定。当使用移动网络连接时，以登陆包形式发送设备N o d eI D。103、D e v i c e A d d r e s s 设备地址为监控变量在设备控制器上的通信地址(从站号)，通常的范围时0 2 5 5，通常用于R S-4 8 5 模式通信组网时的设各地址用来区分各个设备。3 2 6 车间和生产线描述车间定义描述公司信息和整个公司内部车间或是生产线的信息，每个车间信息中包括车间中所有使用的设备的定义。除基本属性外，车间描述还包括如表3 7 所示信息。表3 7 车间信息额外属性万方数据第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模其中，车间监控服务器地址用于描述运行在企业车间的数据采集主控计算机上的设备数据交互运行时程序，各个车间的数据服务器组成数据处理层，以解决多104、个设备连接一个中心服务器造成的访问冲突和效率问题。此外各个数据处理服务器相互作为备份服务器，每个数据交互服务器同时接收两到三个车间生产线的数据，从而进一步保障系统的稳定性和数据的安全性。监控显示控制模块和数据存储模块可以通过描述文件中的O P C S e r v e r A d d r e s s 属性连接设备所在车间的数据交互服务器获取设备数据。3 3监控系统的文件描述3 3 1 可配置需求分析由于柔性生产线的特性，由于产品的变换从而使得生产设备功能和采集数据会相应变换。因此，可配置的监控系统需要应对设备和产品的变化，在整个系统与设备数据交互模块、数据存储模块和监控显示控制界面都可以按照变动105、灵活做出调整。监控系统文件描述设计目标是通过一个文件来存储系统中所有可以配置的信息供各个软件模块进行调用和配置，除上述生产线信息模型中的设备集成信息外，还需要完成系统运行时、数据库、显示控制终端的相应信息配置，具体配置内容如图3 1 所示。系统描述文件厂=谢关系厂车间数据交互运行时L 茎：茎薹蓁薹三薹薹兰主义_ 1 储_ 三曩：雄义L 终端J 茎三篡二L、车间数据交互。P c 连接参数万方数据山东大学硕士学位论文由于符合W 3 C 标准的X M L(e x T e n s i b l eM a r k u pL a n g u a g e)文件以树状结构表示数据，便于在网络传输通过程序开发进行106、数据交互，已经被用于O P CU A 信息建模、M T C o n n e c t 描述数据对象、E t h e r C A T 从站描述文件等工业总线和协议广泛使用。因此选用X M L 格式文件建立车间设备和监控数据的监控系统描述文件。参照可配置系统模型开发系统设计和配置工具，通过系统设计模块修改和定义系统描述文件。数据交互运行时、数据存储模块和监控终端通过加载系统描述文件完成系统的重构。3 3 2 设备描述库构建监控系统文件描述主要是对车间设备和生产数据的描述。根据上文对车间设备描述的建模方式，主要分为设备类型和变量定义、车间和现场设备定义两个部分。通过设计和构建设备描述库，管理设备类型和107、车间、设备、变量三级定义。首先，通过描述文件存储设备建模信息，将实体设备按照设备类型、加工产品工艺数据分为不同的设备类型，以描述文件的形式，定义每种设备类型。这个配置的主要作用是描述特定设备类型的信息、为某个型号的机床约定具体的管控数据内容及其数据地址与含义、通讯协议名称以及通信模块的I P 地址，除设备建模中的属性存储外，还可以进行该种类设备相应的监控终端界面映射对象或是一个缺省数据显示人机界面排版。这些信息通过X M L 格式文件作为设备类型库进行保存。然后，对每个车问或是生产线上的所有设备进行定义，包括车间基本信息和设备列表。其中，设备列表中的设备类型存储设备类型I D，参照设备类型库中108、的设备类型定义。通过在系统设计程序中依次添加生产设备并按照设备类型选取设备类型库中事先定义好的设备类型表述文件。通过将设备类型定义其嵌入到车间描述文件中，形成可以供数据采集服务器使用的车间设备描述文件。最后，通过将工厂内部所有的车间或生产线对车间描述文件进行集成，最终通过一个设备描述文件描述整个工厂的车间、设备和数据对象。3 3 3 系统描述文件在上述系统设备描述库的定义文件再中加入共数据库管理程序和监控终端万方数据第3 章离散生产系统设备和监控数据的分析建模使用的其他的描述和配置信息，以D O M 树的形式。整个X M L 文件的D O M 树模型如图3-2 所示，在根节点下分为三个主要节点109、，依次存放系统车间信息描述、设备类型描述以及数据库连接信息和其他相关信息。其中，车间信息描述内部每个车间存储一个设备列表用来描述该车间所有监控设备；设备类型描述信息通过存储设备类型信息用来定义每种设备的监控终端界面定义，每种设备类型通过数据参数表进行该类型设备采集数据定义。图3-2 监控系统描述X M L 文件D O M 树结构N e t 框架为X M L 提供了完善的处理机制，利用C；语言开发一个可视化配置程序，以图形化的方式依次完成监控系统各个层级的系统定义和配置过程。利用按照上述层级定义自动生成与修改系统描述文件。一个简单的系统描述文件如万方数据山东大学硕士学位论文3 4本章小结本章面向110、离散制造系统中大量非标准生产和检测设备，提出了一种通用设备的数据分类和生产系统建模方法，并给出了以X M L 文件形式对监控系统进行设计和描述的详细组织方式。通过系统描述文件在整个监控系统中的应用，完成监控系统各个层次部分的配置。当生产线设备发生变动时，只要将变动写入系统描述文件，监控系统各个模块通过重新加载所述系统描述文件即可完成整个监控系统的更新以符合新的生产线监控需求，同时增加了监控系统的柔性和扩展性。万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计第4 章柔性设备数据交互模块设计4 1常用设备通信协议分析4 1 1 常用设备通讯多样性分析以消费电子类产品的加工组装和检测车间为例。车间内部以非标111、自动化设备为主，主要控制器为基于总线系统通信的数控加工中心(C N C)、可编程逻辑控制器(P L C)和带有实时系统的嵌入式控制设各也有部分智能仪表、机械臂和智能相机等。其中，绝大部分的数据需要传输汇总到设备的主控器上通过主控器进行控制，所以数据采集的主要对象即设备主控制器：C N C 控制器、工业P C、P L C和H M I 嵌入式系统。设备数据采集和监控过程中，难点不在于设备的物理参数多样性，而是在于设备通信中各个层次存在多样性【。6】，多样性在柔性监控系统中解决方法主要为：1 设备接口的多样性，通过第二章中的硬件设计中通过串口联网D T U 模块可以进行接口统一。2 设备通讯协议的差112、异，除了部分的设备支持一些通用标准协议外，其余几乎每一个厂家的设备都采用自己的一系列独有的通信协议规范。需要分析设备数据通讯格式，通过软件编程寻求一种统一的数据采集方法。3 设备读取数据大小和长度的差异，一些设备支持区块多数据读写，而有些传感器，一次只支持写入1 个数据位。通过变量组封装不同的变量对象完成对不同数据类型和数据区间的划分解决数据大小差异。4 设备读取问隔的差异，不同种类的设备，所需要的数据采集时间间隔差异也较大。通过系统描述文件中相应类型设备描述中的采集间隔属性实现不同设备类型读取间隔的不同。5 通信模式的差异，设备数据采集可以分为监控主机轮询和设备主动推送两类。轮询模式操作需要113、监控主机端主动向设备发出请求，设备在收到请求后进行回复，如果设备端没有收到请求，则不会有回复操作。主动推送模式则是设备端定时或是通过触发主动将数据进行发送，监控主机被动接受数据。目前主要设2 5万方数据山东大学硕士学位论文备属于轮询式通信为主，柔性监控系统可以很好的支持轮询式设备。6 采集数据应用的差异。从数据应用的角度分析，不同的监控数据所需要采集的时间间隔不同，通过将数据分类，实现不同应用数据的差异化采集。7 多个数据的时序特性。对于工业过程自动化的设备，对数据的采集需要按照工艺流程进行时序采集，对设备数据采集的顺序有着较为严格的要求，每一次数据读写操作都需要等待前一个操作完成之后才能操作114、。目前对于时序性的数据，采取在控制器端处理，在完成时序流程后，统一进行寄存器赋值，监控端从寄存器集中采集数据。4 1 2 设备通讯协议分类和抽象中小企业由于成本，生产设备由供应商提供，设备间差异较大。特别是非标自动化行业的同种类型设备数量少种类多，不同制造商设备控制器品牌型号差异较大的特点造成设备通信比传统制造车间更加困难。具体到目前车间生产设备主要监控对象中以P L C、H M 为主，除了被广泛使用的工业领域作为业界标准的M o d b u s 通信协议外，各大设备厂商都根据自身产品制定了的一套通讯协议标准。如基恩士P L C 的K V 上位链路协议、欧姆龙的H o s t L i n k 115、协议、三菱电机的协议模式通信和西门子P R O F I B U S 协议等。这些常用设备的通信协议之间互不兼容，大体上可以按协议是否开放分为两类，如欧姆龙、三菱、基恩士等厂商的产品提供了通信协议格式；另一类为不公开通信协议标准的控制系统，如贝加莱运动控制系统以及西门子部分P L C 产品。针对这两种情况，目前做了以下两套方案：针对通信协议不开放的设备，目前通过以下两种方式进行处理：对于支持O P C 通信规范的设备，按照上文所述系统的设各建模方式，设定设备地址空间，直接通过设备配置在监控端连接设备O P C 接口，实现设备数据的直接采集。对于提供了集成开发环境的，可以通过将通信模块连接到设备主116、控器人机界面H M I，通过在人机界面进行二次开发，编写设备数据映射功能模块，利用S o c k e t 实现外部通信功能，数据帧具体格式可以参考标准M o d b u s 协议实现或是按照轮询模式自行订制协议完成设备和各部件的数据交互。针对通信协议开放的设备，通过比较目前常用的开放性通信协议，分析车间常用的P L C 和传感器可以发现，1 1 前常用通信协议虽然内部实现细节各异，但2 6万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计是整体通信方式都比较相近，通常为轮询式。一条数据交互可以分为请求操作和请求的回复两步重要操作，即主站向从站发送请求指令，若命令可以被从站识别，发出返回正确或错误信息，若117、请求不能被识别，则设备不做处理。由此可见，分析各种车间设备常见的开放式协议标准，通过分析请求和返回的数据帧格式，找出其中的共性和差异即可解决通讯协议互不兼容的这一问题。通过分析各种设备主要支持的通讯协议，选取部分常用厂商的通信协议规范进行分析，以读取数据发送和返回指令为例列举如表4 1 所示：表4 1 部分常用控制器通信协议通过对比分析以上常用设备的通讯协议可以发现，各种主要设备通讯协议，请求指令通常包含一个对应位置元件类型或是数据存储区的一部分存储空间的数据起始地址和数据长度。响应数据大多包括按地址顺序依次排列的所请求的数据信息。由此可见，只要设备通讯方式为上述类似的轮询式，借助在设备上连接118、通信模块，通过组建通信协议解析驱动库进行通信。服务器的原始数据及指令通过通信模块和通信库翻译成主机可以理解和处理的串行协议数据及指令，并将设备相应的串行协议数据从T C P 网络数据里解析出来，转换成服务器方便处理的原始数据，如图4 1 所示。把每种设备通信协议解释功能单独做成一个动态库，方便用户将来的灵活调用和扩展。这样一旦和I P 绑定的机床通过网络连接到服务器，都会按照系统描述文件中的设备类型库所指定的协议名称进行数据采集和解析，实现各种异构的设备数据的访问，从而能够实现开放协议设备数据彼此联通。万方数据山东大学硕士学位论文器图4 一I 通信驱动库软件接口设计示意图4。2设备数据交互设计119、4 2 1 设备联接：多级动态并行应答机制由于整个监控系统车间级网络采用了星型一主多从的结构。运行数据交互运行时程序的计算机作为服务器需要同时和各个监控对象设备进行通信。因此需要建立一套完善的通信机制，保证监控数据的实时性和监控系统的稳定性。网络中对于多个节点的访问方式通常有两种，串行的轮询式和并发同时访问的模式。轮询式的好处是网络中的每个节点都有均等的通信次数，保证每一个轮询每一台机床数据都可以采集到，但是会导致每个机床的访问周期大幅加大。由于监控系统中的设备数量较多，特别是当一个节点出现问题通信延迟时，由于是同步通信，需要等待节点返回消息，会导致整个系统其他设备的通信延迟。另一种并发访问方120、式则避免了这个问题，虽然每个节点的通信是根据线程调度按照时间片随机完成，但是可以是整个系统的效率提高。此外，现在的计算机性能不断提高，通过利用多线程技术，依据C P U 核心数量确定最大线程数量启动线程并通过线程池管理，每个设备使用固定数量线程的并行调度。为不影响主线程工作，每个设备接入时，建立单独的通信任务的方式移入线程池中最小任务量的线程执行中完成网络并行通信。通过多线程并发通信可以充分利用计算机多核C P U 性能和网络带宽，大幅提高系统的通信效率。为了提高系统的稳定性和可靠性，在并发访问机制中建立了一个双优先级的访问动态应答机制模式。监控数据交互运行时开启时，数据交-q-N 务主机端开121、启端口监听，等待节点连接。设备节点设置为主动连接客户端模式，尝试与监控主机建立连接。连接的节点都处于正常优先级的节点队列中，按照正常的快速的通2 R万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计信周期对各自进行数据交换。每个节点设置了通信最大延时时间和通信结果校验，当系统检测到某个节点通信超时和通信错误次数超过设定的最大次数时，将节点网络节点移入低优先级队列。低优先级节点通信周期为正常节点的数倍以上。重复以上检测过程，当达到最大尝试次数时，判断节点已经出现问题，主动与节点断开连接，主界面显示相应机床处于离线状态。通过这种双重优先级的动态应答机制，保证正常通信的节点能够占用较多的时间片，从而提高了系统122、的通信效率。有时候，在监控系统中存在较为复杂的设备时，可以引入“虚拟设备”概念。根据设备间不同数据的采集时间间隔差异以及具有多种功能的设备，可以将一个实体设备控制器作为多个虚拟设备进行看待。例如对于一些具有较大差异的多种功能的设备在使用一个功能时，启用其中对应的一种虚拟设备，与其他设备一同进行数据的采集和处理。4 2 2 数据处理：开放式协议驱动库由于通信D T U 模块直接链接到控制设备通信端口，只负责数据透明传输，不附带其他功能，要实现各种协议的适配，需要在车间数据采集服务端开发一套虚拟协议驱动，从而使各种设备能够接收到各自特定的数据帧，获取设备数据。在程序实现上，根据面向对象的设计理论和123、现有设备虚拟驱动设计方法，改进设计了一个通信协议接口类。通过抽象设备操作方式，即基本的读取设备数据和写入设备数据功能，使用了一个抽象的接口来实现和底层多种现场控制设备的数据交互。它的目的是利用类的多态性，设计了一个抽象的接口，将各种通讯驱动通过封装类实现接E l 函数，通过函数和底层多种现场控制设备的数据交互，读写设备数据。开放协议接口类关系图如图4-2 所示。为实现数据采集运行时较高的效率和多平台支持的特性，使用C+语言利用Q t 库进行编程。Q t 库提供了Q t P l u g i n 对象，和其他类型的插件一样，是一种计算机应用程序，它和主应用程序(h o s t a p p l i 124、c a t i o n)百_ 相交互，以提供特定的功能4 引。由于设备通信协议种类较多，缺乏系统的整体性。借助Q tP l u g i n 技术，把各个独立的功能模块作为Q t 插件模块以程序扩展的形式实现，统一在主体框架中，并在监控运行时主框架中根据设备的通信协议载入相应的通信库驱动，以实现整个系统的功能集成。通过利用Q t 库的插件Q t P l u g i n 提供的可以在运行时动态加，O万方数据山东大学硕士学位论文载和实例化接口函数的调用接口特性，设计一个由纯虚函数组成的抽象类作为设备通信驱动接口。通过通信接口以独立于监控系统数据采集模块主程序的共享函数动态链接库扩展形式封装为单独一个125、扩展模块，并能在设各连接时动态加载驱动。通信调度层通过对T C P 连接的管理，处理底层设备的连接与数据采集调度的管理，转发监控客户端的读写访问操作到运行特定消息协议的设备。根据设备模型建立数据采集服务监听，等待设备数据模块链接轮询处理他们透明传输的特定协议格式的数据。通过将T C P 通讯函数在协议兼容库进行封装，每个设备可以通过统一的接口调用不同的虚拟驱动完成数据交互。进而保证能够通过扩展模块内部的通讯线程能够通过内部循环保证不同设备的通讯时间间隔。通过线程内部循环网络接口的同步通讯和异步通讯实现针对轮询设备和主动反馈设备的支持。溪麓艘雾i+R e a d D a t a l；+W r i126、 t e D a t a()图4 2 通信驱动库统一建模语言(U M L)类关系图万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计其中共有2 个开放的通信接口定义：读取连续数据区函数g e t D a t a 对应读取设备软原件数据，其参数依次为设备的通信地址、如软原件起始地址、读取元件数目、返回数组首元素指针和一个描述数据类型的标志位；写入连续数据函数w r i t e V a l u e，其参数依次为设备通信地址、起始元件地址、需要写入的变量数组指针和一个描述数据类型的标志位。此外，还有一个网络通信接口定义和一个防上匕同时读写产生冲突的互斥对象的定义。由于扩展模块可以通过开放接口自行实现并能够进行127、动态加载和并行加载，使得程序可扩展性和灵活性大幅提高。通过将各个通信协议封装为共享函数摩，通过抽象出来的设备数据读取和设备数据写入两个开放接I S ，实现整个设备兼容层设备通信协议库的开放式结构。当监控系统需要支持新的通信协议时，只需另外建立一个继承通信接口的类，并在类中写一个接口的实现和对于各种不同设备的特殊数据处理。可以通过设备连接时，按照设备配置文件中的协议类型名称，使用Q P l u g i n L o a d e r 动态加载对应通信协议扩展，并将对象实例转换为抽象的接口类型，就可以通过上述2 个接口函数完成数据交互操作，而不需要关注具体的设备通信协议。在加入新的通信协议时仅需要更改128、对应节点的设备配置文件，主程序无需做任何改动。由于C+抽象类接口的特性，可以通过多线程并发加载扩展协议模块实现同时对多种类型设备的同时数据传输。当有新的通信标准时，系统开发人员仅需将调试好的协议扩展动态链接库远程发送到客户，设备供应商人员无需抵达现场即可完成协议库的补充工作。同时，通过开放的协议接口，对一些客户定制的控制终端进行自定义协议或是通信加密算法可以通过实现开放式接口，自行封装通信驱动支持库，从而实现控制终端与监控系统的互联。通信库的调用方式如下：#i f d e fO SL I N U XQl万方数据山东大学硕士学位论文4 2 3 数据映射：高效数据处理内核数据交互模块中数据可以分为129、两类：外部数据源的实际数据和采集系统内存中的缓存数据。外部数据源数据即设备上的实际数据，通过设备特定的通信协议进行获取；内存中缓存数据为存储在数据采集系统中的内存缓存供上层监控应甩服务使用的数据。由于系统中需要对多个被监控设备同时进行大量的数据交换，生产监控系统的要求要尽可能高的保证收发数据的实时性。在传统的组态软件中，对于从设备采集的数据以采用实时数据库进行数据的组织和高速读写。由于商业实时数据库基于内存数据库实现数据高速存储技术不开放，所以选择通过在内存建立数据存储结构实现数据从采集端到应用端的高速传输。实时数据解析用于分离数据集合中的不同数据包放入相应的数据结构中。对于从设备上获取到的数130、据，通过在程序初始化时车间监控系统中建立的内存实时数据表进行高速存储，供上层设备接口进行调用。由于系统的结构变化所造成的内存数据缓存区内设备和数据对象的增加、修改、删除操作一般通过载入新的现场设备描述文件进行配置，仅在系统的配置时进行一次修改，频率不高。实时数据的采集、发布与修改在系统运行过程中始终都在进行，并且具有随机性，需要选择查找性能高的数据结构进行监控变量的快速访问。通过对比常用的数据结构，查找时间最快，采用时间复杂度为O(1)，组织方便的基于散列表、由Q t 库提供3 2万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计的Q H a s h 关系容器进行内存缓存。在存储内存缓存数据时采用了双重131、散列表的方式建立，可以综合的实现功能同时保障性能。第一层将设备通信模块口地址(针对无线局域网)或是设备唯一标识符(针对移动网络)作为关键码加快数据交互端的查找速度，将设备数据结构作为值进行存储从而直接访问数据结构。第二层散列在设备数据结构中通过根据变量的N o d eI D 作为关键码，加快数据发布端的变量查找速度。数据映射过程如图4 3 所示。采集系统内存中的缓存数据通过循环扫描机制实现与外部设备数据源的实际数据同步。上层应用向设备写入数据时，通过变量写入事件触发，调用通信库的写入数据接口函数向设备写入数据。现场设备所U 接口转换鋈(远程(N o 数d 据e I D 请)求I1 9 2 1 132、6 8 1?设备通信参数设备数据设各数据D l l I，R。?瓣：通信协议篙耋烹手0 P CU A 服务器O P CU A 栈接口库服务器“”设备通信线程O P CU A 地址空间设备数据读写数据源槽函数变量回调信号ttI 一一一一一一j事件队列L 一一线程通信1 r 一一一设=鲁N o d e l D设备结构数列：琵变量散列表设备类型描述_ 1 9 2 1 6 81 1 0 8设备数据结构一N o d e l D变量数据结构数据长度描述1 9 2 1 6 8 1 1 0 9设备数据结构再俞N o d e l D变量数据结构设备数据区1 9 2 1 6 8 1 1 2 0设备数据结构一-一N 133、o d e l D变量数据结构二，一一一一一一一一一一一一一一一?图4-3 程序数据映射检索示意图4 2 4 事件驱动队列机制系统的主要事件可以分为：监控模式下的设备在线状态变化事件(上线、通讯错误或超时、下线)、数据读写事件(定时器触发的数据读取事件和终端下发控制信息事件触发的数据下发事件)和配置模式下的产品和设备结构改变产生系统重构事件(产品种类或工艺变更、设备添加或移除)。系统按照不同优先级，3 万方数据山东大学硕士学位论文通过事件触发机制完成数据采集和监控以及异构系统的系统重构。监控模式下设备在线状态变化和数据读写事件为主要处理的事件，调用Q t 框架提供的信号与槽函数机制，数据读写与134、状态改变时触发信号，加入系统的消息循环队列中，调用信号连接的槽函数完成数据读写和设备优先级的改变，事件的调度采用Q t 提供的e x e c()i 函数通过内部事件循环完成。在对生产线进行修改或是产品工艺进行修改时，可以使用系统配置根据生产线的变化进行重新配置，通过手动触发重新加载新的系统描述文件实现。例如，在新的设备加入时的实数据交互的实现方法是：首先在数据监控设计模块修改系统描述文件，增加设备描述和类型描述。然后在监控数据交互服务端读取描述文件，按照新的生产线模型重新初始化内存数据数据结构并调用相应的协议解析模块，完成新设备数据交互部分的重构。4 3基于O P CU A 的远程数据访问接口135、设计4 3 1 数据接口标准的选取数据采集监控程序作为控制层，上层对接管理层和其他控制层客户端，因此，作为控制层向管理层和其他控制层模块的数据接口，应该满足以下功能：能够满足生产任务数据、监控数据和产品质量追溯数据在生产线自动化控制层和生产管理层之间的实时大量传输要求；能够满足多种设备所构成的结构和类型复杂的生产数据的传输；具备保证信息的安全性和传输的稳定性的方法和能力。数据采集服务器需要一个数据接口同其他系统上层模块进行远程数据通讯，为保证系统的兼容性，一般选用标准协议接口实现。通过对比第一章列举的标准规范和对O P C 标准体系结构的研究。O P CU A 相比其他通信标准，有了更加易理解136、的信息处理元模型，不仅能够传输数据，而且能够传输由节点关系构成的设备对象模型。采用O P Cu A 规范，通过数据建模在地址空间中不仅是简单数据，经由复杂对象继承将信息语义映射到了目标系统，通过地址空间还可以进行复杂类型数据传输。通过O P CU A 提供的节点管理功能，根据系统描述文件进行建模，将工厂生产线信息模型在O P C 服务器地址空间进行映射，监控终端可以作为O P C 通过浏览地址空间获取服务器设备地址空间模型从而获取所有的监控变万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计量数值和属性关系信息，提供了完整的安全的模型和可靠性设计。同时，大型工业实时数据库和组态软件等均支持O P C 接137、口标准，便于实现企业信息系统集成。上层数据接口的主要目标是通过对O P CU A 标准体系结构的研究，设计一个具有多种设备兼容的开放式O P CU A 服务器接口，通过O P CU A 技术管理服务器和控制器层面的网络接口，通过数据映射将各异的通讯协议转换为无差异的O P CU A 数据接口。上层应用和系统的其他功能模块在与设备进行数据交互时，无需关注设备的通信规范，有效的解决由于设备通信差异产生的自动化系统中的“数据孤岛”问题。O P CU A 服务器与客户端的现有实现方式有很多，既有商业软件也有开源软件开发包。由于系统需要能够根据需要进行可配置，也就要求O P CU A 服务器地址空间可以138、无需编程就可以进行改变，利用软件虽然建模方便，但是通过建模软件生成源代码需要加入到服务器工程中重新修改和编译【4 8 1。为了能够减少用户对程序的修改过程，选择通过开放式协议栈，自行开发节点管理模块，实现服务器地址空间建立。F l o r i a nP a l m 等通过对多种开源代码O P C 协议栈的实现方式进行对比测试和研究，发现o p e n 6 2 5 4 1 提供了使用元模型创建地址空间和向成型的对象中存入已经存在数据的可能性【4 9|。通过对o p e n 6 2 5 4 1 做验证测试，其节点管理A P I 函数能够符合系统可以配置的思想，因此采用o p e n 6 2 5 4139、 1 编程接口自行开发节点管理类作为可配置O P CU A 服务器的实现方法。4 3 2O P CU A 地址空间设计通过在每一个小型车间或是大型生产线上部署一个用于数据交互运行时与设备传输的监控服务器，通过加载系统描述文件得到监控所用设备基本信息和所有的监控变量信息。O P C 服务支持模型的加载和节点的管理，通过地址空间将监控系统的信息模型在O P CU A 中表示是可行的，但由于目前缺少通用的映射语言(1 8 I，又考虑到监控系统的重构导致车间信息模型变动，所以根据生产线特点改进了信息模型设计，选择自底向上的层次化方式自行设计节点管理类进行动态信息模型建立的方法。设计地址空间节点管理类，140、通过加载系统描述文件中的设备定义和设备类型定义中的数据信息定义，将数据按前文所述标准进行分类，并将定义好的设备、3 5万方数据山东大学硕士学位论文变量、属性和其内部关系在O P Cu A 地址空间生成对应对象类型和对象节点。首先在服务器类型定义中添加新的自定义类型，类型定义为所有该类型实例的一个通用、抽象的描述，主要有D e v i c e T y p e 设备类型定义和A n a l o g V a l u e T y p e 变量类型定义。D e v i c e T y p e 以属性的形式包括所有种类设备的详细类型信息：I D、类型名称、供应商信息等；A n a l o g V a l 141、u e T y p e 定义模拟数值变量类型，包括工程单位变量范围的上下限以及设定值(对于可写变量)属性。然后，在服务器对象文件夹下建立监控系统设备实例。对于系统描述文件中生产线上的每一个设备或是虚拟设备，均在生产数据地址空间中建立设备实例，类型继承基本对象类型。在每一个设备对象实例中依次添加设备类型对象实例描述设备类型信息、设备通讯连接状态变量属性、F o l d e r T y p e 文件夹类型的四种数据分类(设备数据、产品数据、控制数据和用户参数)列表。其中，设备类型实例继承设备类型的属性定义，包括该种类设备类型的I D，客户端可以通过I D 属性的值可以访问相应名称的设备类型节点从而142、获取该型号的设备信息。设备在线状态通过一个设备对象属性进行表示，链接到描述设备在线状态的外部数据源通过设备通信调度机制进行在线状态修改。当设备在线状态发生变化：设备上线事件与设备下线事件和设备开关状态发生变化。当设备通讯模块与数据采集服务器建立有效链接时，触发设备上线事件，更改设备在线状态：当数据采集服务器与终端模块通讯异常时，触发设备超时或下线事件。同时，用户监控应用通过在线状态属性可以获取设备当前的在线状态。最后，将监控变量按照描述文件中的分类信息，以变量依次添加到设备实例节点下。变量节点按照数据类型的不同分为两类，数字型变量为基本数据变量类型，模拟量变量为模拟变量类型，继承基本数据变量类143、型。通过其D a t a T y p e、V a l u e R a n k、A r r a y D i m e n s i o n s 属性确定变量的具体数值数据类型、数据数量、维度，结合V a l u e 属性中的数值得到监控节点的具体数据，通过访问级别定义数据的权限。对于模拟量，还可以通过上下限确定数值的报警事件、工程单位确定变量单位换算，设定值作为默认值在写入变量信息时使用。经过建模过程，服务器地址空间的结构如图4 4 所示。通过在地址空间中建立统一的设备数据类型和变量分类实现对各类数据源的封装，不同的设备对象通过相同的分类方式对数据区间划分，其他监控模块和万方数据第4 章柔性设备数据144、交互模块设计应用通过统一和标准的数据连接监控数据交互运行时即可传输设备数据。图4-4 设备对象信息模型在O P C 地址空问的组织4 3 3 与上层应用的数据交互接口根据O P C 规范的定义，o p e n 6 2 5 4 1 节点管理模块提供在建立节点时提供了四种数据回调机制，如表4 1，O P C 节点数据信息可以通过四种形式传输到用户空间：表4-1o p e n 6 2 5 4 1 数据回调机制回调方式应用对象数据源变量节点当变量在服务器外部被管理，本地数据源的接I：1变量节点值回调当变量读、写时通知用户空间，回调函数在读之前或写之后调用对象生命周期管理用户定义的构造和析构函数加入到对145、象类型中方法回调用户定义方法在信息模型中使用时调用由于数据源通过虚拟驱动从设备端进行采集完成读写操作更改变量节点数据，因此属于外部数据源。外部数据源回调包括数据读取和写入两个回调函数，3 7万方数据山东大学硕士学位论文数据写入回调可以为空。将虚拟驱动的读取设备数据作为服务器变量节点读取回调函数，将虚拟驱动写入控制数据作为服务器可写变量节点的写入回调函数，只读变量节点不需要写入回调函数，将函数指针置为N U L L。监控系统内部的读取设备数据扫描机制通过每个设备对象单独的定时器触发定时刷新设备数据。具体过程为定时器时间到依照加载的系统描述文件中通讯参数信息调用相应的解析驱动，读取相应设备全部的监146、控数据，将得到的实时监控数据写入内存中的数据缓存区。当读取数据时，监控客户端浏览O P CU A 服务器地址空间，通过N o d e l D 寻找变量I D，发送读取数据请求，服务器端收到读取请求时，执行读取回调的函数，将缓存数据加载到O P C 服务器地址空问中的变量数值，获得地址空间中的设备数据。数据写入通过事件进行同步，监控O P C 客户端发送数据写入请求，服务端执行数据写入回调函数，通过地址空间节点I D 解析数据地址，在回调函数中触发数据写入事件，通过事件调用虚拟驱动的数据写入函数，完成变量的写入请求，程序流程如图4-5 数据交互服务程序流程图所示。图4 5 数据交互服务程序流程图147、万方数据第4 章柔性设备数据交互模块设计通过引入O P C 统一架构模型，将一个车间或流水线上的所有的设备数据封装为一个统一地址编码的O P CU A 服务器数据源，将不同的设备接口和协议转换为统一的O P CU A 接口，从而满足监控系统各模块问和与外界应用的信息交换，企业可以利用此接口通过开发相应程序实现对能生产任务规划管理、生产设备智能管控和产品质量智能管控与E R P 系统之间的数据融合。4 4本章小结本章通过分析常用设备协议，定义开放式标准接口开发设备通信驱动库实现异构设备数据交互。数据交互运行时选用O P CU A 接口，依照设备模型建立地址空间实现系统间模块通信。监控变量通过高速148、内存检索机制完成从设备协议地址到O P CU A 通信接口统一描述地址空间的转换。3 9万方数据万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储第5 章生产监控数据实时显示与存储5 1实时显示控制终端界面设计5 1 1 组件化监控终端界面显示控制模块为监控显示控制终端界面，分别与数据交互模块的数据交互运行时O P CU A 数据通信接口和数据存储模块的监控历史数据库连接，用于通过数据交互模块读取实时数据和下发数据读取指令给设备、读取并显示所述数据存储模块内的设备历史数据。显示控制终端对数据进行处理并通过界面元素显示采集上来的机床运行参数和产品加工信息。根据定制化生产的企业实际需要，生产监控客户端既需149、要有传统组态软件的配置功能实现高开发效率，又要同时具备程序功能的可扩展性。基于组件的编程也为实时和嵌入式软件开发降低了难度，提高了软件的灵活性和代码的重用性，也提供更高的开发效率1 5 0】。通过车间数据交互模块对生产设备信息的建模，O P CU A 地址空间可以传输监控数据以及完整的监控系统层次结构。因此，对于不需要复杂界面元素显示的监控终端界面，利用商业O P CU A 客户端软件创建订阅和监视项的方式可以快速实现基本监控功能。针对订制化监控界面和数据应用等更多需求，则可以通过为每种不同类型的设备设计数据模型可视化界面构成组件，通过调用组件实现。监控显示控制终端界面选择用户熟悉的W i n150、 d o w s 平台进行开发，人机界面选择开发效率高的c 撑语言完成程序逻辑。选用为过程控制的H M I 实现提供了巨大的价值，可靠性，图形复杂性和可扩展性的W P F 图形开发平台框架完成界面开发，利用其可以容易地重复使用且适用于快速原型化目的的对象特性的特性开发控件和组件库【5 1 1。依据上文设备类型划分，对于生产线同一种类型的设备所采集的数据相同，因此可以通过一种界面组件进行数据显示与控制。采用M V V M界面与数据模型独立开发设计模式，每个可视化组件可以分为三个部分：设备数据模型M o d e l 对象，用于定义每种类型的设备的数据属性以及事件和报警处理行为；一个绑定数据和命令的151、M o d e l V i e w 对象，用于负责需要绑定的数据和命令；一个监控界面V i e w 对象，负责与用户交互展现数据与接收命令。由于M V V M4 I万方数据山东大学硕士学位论文模式界面与逻辑的耦合降低，界面开发和后台逻辑进行分离，使用B l e n d 工具进行界面开发，开发者无需编程知识即可设计每种类型设备的监控定制化界面，再通过与后台逻辑的配合将每种设备类型的监控界面封装为组件形式以设备类型的I D 命名加入界面组件库完成客户端的订制。当进行生产线发生变动时，对于新的设备类型，则通过编程编写新的监控界面并加入组件库。对于已有设备类型，通过重新加载界面组件库创建新的设备监控组152、件实例，载入主界面形成新的监控终端界面，从而实现代码的复用，减少重复编码工作。5 1 2O P CU A 客户端数据获取接口定义每个监控终端都包括O P CU A 客户端与数据交互模块进行数据交互。根据开发方便和功能完善的标准采用扩展O P C 基金会S D K 的W o r k s t a t i o n U a C l i e n t快速开发框架开发。通过对其A P I 函数根据服务器端地址空间和系统描述文件中的变量定义进行扩展，实现与数据交互服务器配套的节点浏览、读写、订阅和监视功能。客户端的数据订阅和命令下发通过协议栈提供的A P I 函数实现，与服务器建立数据交互方法可以分为以下5 153、步：1 首先通过实例化A p p l i c a t i o n C o n f i g u r a t i o n 对象并对监视项进行赋值建立一个客户端名称和安全配置，用于与服务器建立安全通道；v a rc o n f i g2n e wA p p l i c a t i o n C o n f i g u r a t i o n 0；2 通过系统描述文件车间描述中的O P C 服务器U R L 信息创建扩展的U a S e s s i o n 与服务器的会话，借助O P C U A 的地址空间浏览服务，通过系统描述文件的设备序列号确定初始节点N o d e I D，遍历服务器各个设备对象的154、设备类型节点，获取设备类型的I D 和名称；s e s s i o n=n e wU a S e s s i o n(c o n n g，”o p c t o p：”+D n s G e t H o s t N a m e 0+”：1 6 6 6 4”)；3 根据设备类型I D 调用和实例化同名的各个设备类型的监控界面组件库，完成界面组件的动态加载。利用U a S e s s i o n 实例建立设备模型M o d e l，设备模型中包括多个设备的监视项，通过M o n i t o r e d l t e m 特性中的节点N o d e I D 或浏览路径查找并获取节点数据，设备模型类定义如下155、；v a td e v i c e M o d e l2n e wD e v i c e M o d e l(s e s s i o n)；4，万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储4 矛0 用S u b s c r i p t i o n 对象实例在会话中创建订阅并根据描述文件中设备节点I n t e r v a l 属性定义变量刷新周期；s u b s c r i p t i o n=n e wS u b s c r i p t i o n(s e s s i o n D e f a u l t S u b s c r i p t i o n)P u b l i s h i n g I156、 n t e r v a l=i n t e r v a l)；5 将订阅的变量信息与设备模型类M o d e l 中的属性绑定并添加到会话中，在订阅中添加M o d e l 的监视项，与服务器交换的数据通过可以通过监控界面V i e w显示。在界面端通过控件的B i n d i n g 属性实现数据的读取，通过C o m m a n d 属性执行命令实现数据的写入；s u b s c r i p t i o n W i t h M o d e l(m o d e l)A d d B i n d i n g s 0；s e s s i o n A d d S u b s c r i p t i157、 o n(s u b s c r i p t i o n)；从O P CU A 服务端实时获取数据的流程如图5 1 所示。监控客户端的高级功能如产品质量管理、生产任务管理等功能结合客户具体的需求通过与生产数据库进行连接获取历史数据根据具体需求单独开发，具体实现方法将结合应用背景在下一章中进行介绍。4 3万方数据山东大学硕士学位论文4 创建订阅2 建立会话O p c t C l：f h o s t n a m e1 安全配置图5 1 监控终端界面数据获取方式示意图5 2历史生产监控数据的存储虽然工业数据库在生产中已经得到了广泛的使用，但是对于订制化的小批量生产所产生的离散化的数据，传统的数据处理158、方式往往从单个数据源设备采集数据，以文件的形式保存和纪录和生产加工最密切的部分数据信息，通过人工进行数据归纳和整理。随着制造企业生产节奏加快，产品的工艺日趋复杂，每天在车间生产线上产生大量的生产数据。对于数据巨大种类繁多的生产数据，为能够对设备历史数据进行进一步的分析和处理完成车间管控功能，以数据库的形式进行分类和管理已经是目前企业的迫切需求。5 2 1 离散化生产数据存储的分析对于生产监控系统，常规的生产数据库需要包含：所需要存储和处理的数据主要有现场车间生产加工数据和制造设备的运行参数。此外，还有工人信息设备管理、客户管理、产品管理、人员管理和生产过程管理等功能。针对已有生产监控数据库的特159、点与定制化生产的产品工艺数据复杂性，可以将数据分为需要实时采集的动态数据和手工输入修改的静态数据。因此，静态信息主要包括员工和客户信息、产品工艺信息、车间生产线信息等；需要实时采集的监控数据有产品的加工和检测数据、设备的参数和运行状态数据等。与传统的生产方式相同的数据存储分类方式相同，数据可以分为从现场设备采集的、频繁变化的设备数据和存储在描述文件和配置数据库中的、不会经常改4 4万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储变的静态数据。与此不同的是，在进行多种类小批量的离散生产过程中，较为频繁的产品种类和工艺的变化还会使所需采集和分析的数据数量和类型发生变化。因此数据库的重构主要针对从设备上采160、集的加工制造数据和部分产品数据。需要数据库能够通过自身基本表和视图的增加和修改，增加新的产品和设备信息，并且能够针对新的生产监控数据格式进行存储和查询。关系型数据库中一般可以按照(实体、属性、数值)三元组表示一个数据，使用关联集描述实体之间关系，基本表和视图在数据纪录过程中主要为记录的插入和更新功能，动态修改表格属性和动态创建表格的操作主要只在数据库建立时完成。监控变量定义的更改使得加工数据所代表的属性和含义需要发生变化，为了能够根据具体的监控需求变动自行定义的数据存储，数据纪录表格必须具备动态的修改和创建的能力。在对设备数据进行存储时，通过将数据的属性作为另一个三元组的实体，即组成(变量实体161、变量信息描述、描述文本)的三元组，根据不同的设备建立自身的监控变量数据描述表，用于建立数据存档表存储从设备上采集到的设备数据、产品数据和参数数据。图5-2 车间监控数据分类生产数据库主要目标是通过数据库基本表和视图的设计，对采集的设备进行处理和存储，通过上层应用实现生产任务规划管理、生产设备智能管控和产品质量智能管控。数据存储模块主要通过链接到企业数据中心进行数据库的建立、设备变化时的数据库管理、生产数据入库和数据库查询功能。根据数据库常用的添加、读取、4 5万方数据山东大学硕士学位论文更新、删除(C R U D)方法进行规划，完成数据库的生成以及重构。在监控数据种类添加时，通过修改数据描述162、表，在数据存储中增加属性来实现。对于更新和修改监控描述，为保存原有数据可以正常读取，按照添加数据的方式进行处理。对于数据定义的删除，由于相同的原因，只做数据删除标记，不更改数据库的结构。综上所述，对于数据的添加、更新都需要在数据库中增加相应的数据描述表的纪录和数据信息表的列来实现。5 2 2 可配置生产监控数据库设计1 概念模型设计由于设备和数据库需要可定义可修改，数据库的概念模型也应在传统的数据库概念模型基础上做改进，系统生产数据的存储格式需要能够快速的变化。因此，采用了动态建立表格与属性的方法完成生产数据的存储。由于复杂的生产数据可能会比较频繁的修改，引入了描述性基本表，通过描述表格描述一163、个数据库基本表中每一列的数据具体含义与数据类型。具体的操作方式是将生产数据库存储监控数据的动态历史数据表采用描述文件中变量N o d e I D 作为列命名，每一个生产设备均对应一组动态和静态数据表格。变量描述表格纪录相应设备类型的每一种特定类型设备所需采集的数据的具体名称、数据格式、用户读写权限等信息。在表格建立和修改时，通过设备节点中的设备类型I D 可以访问数据描述表，通过数据描述表中的数据类型和长度定义，完成数据存储表的创建和修改。动态监控数据库概念模型设计如图5 3 所示。i 蠹，：垂三多Pi 设备维护数据)i 产品加工教据)(工艺参数数据)、一一?：、一一。、一7图5 3 可配置生164、产监控系统基本实体关系(E R)图万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储2 基本表设计根据上述动态设计思想，进行数据库基本表设计，将表格分为两类，一类是可配置动态创建和访问的数据表，表格名称含有不确定字段；另一类是常规的静态数据表，表格名称固定。动态数据表主要与现场数据相关，例如数据描述表、设备历史存档数据表、产品生产数据表、设备参数配方数据表等；静态数据表除存储员工和生产信息外，与设备监控相关的有：设备信息表、设备类型表、报警和事件记录表等。下面就可配置的数据存储功能对部分基本表设计进行说明。(1)设备类型表(d e v i c e t y p e)设备类型表对应系统描述文件中的类型信息165、，用于管理一个工厂内部各个车间所使用的设备大类，括号中d e v i c e t y p e 为表在数据库中的名称(下同)，列定义见表5-1。表5-1 设备类型表属性(2)设备子类型表(t 7-s u b t y p e)根据设备建模中引入的设备子类型概念，一种设备类型可以根据采集数据的不同划分为多个子类型，存储于包含设备类型I D 命名的设备子类型描述表中，这里在表名中使用“?”字符指代动态变化的设备类型I D 名称数据。表5-2 设备子类型表属性(3)设备信息表(e q u i p m e n t s)存储工厂内部所有的机床信息。设备类型I D 即描述文件中的类型N o d eI D，通过166、设备类型I D 查找设备类型表即可获取设备类型相关信息。表5 3 设备信息表属性字段数据类型字段长度备注4 7万方数据山东大学硕士学位论文(4)数据描述表(t?s?d a t a d e f i n e)应对动态的数据保存需求，每一个设备类型的子类型均建立一个独立命名的数据描述表。内容为记录客户工厂内部某一特定种类设备所监控的数据结构格式。数据存储模块将按照此描述对数据的定义进行数据解析和存储过程。根据上文设备分类标准每种功能的设备需要建立一个数据描述表，即同一型号设备在进行不同的加工工作关注的监控数据不相同时，可以将同一个实体作为不同的虚拟设备类型分别记录数据。用户权限定义每种类型用户的权限167、，采用三位数字表示，各位依次表示操作者、供应商、客户的数据权限管理。每个设备类型对应一个数据描述表，数据表名称包括相对应的特定设备类型I D 与子类型I D 的键值。这里在表名中使用两个“?”字符分别指代动态变化的设各类型I D 和子类型I D 名称数据。表5-4 数据描述表属性(5)设备参数数据和静态数据表(d?_ p a r a m e t e r)记录当前工厂内部同种类型设备机床参数等不需要存储记录的静态数据表，每一行对应该设备的一个可选择的参数配方信息和其他预定义信息。数据表名称根据机床I D 确定，在表名称中通过“?”字符指代。表5 5 设备参数数据和静态数据表属性万方数据第5 章生168、产监控数据实时显示与存储(6)设备状态数据存档表(d?_ s t a t u s l o g)记录每一台设备附带时间戳的监控数据的历史纪录。每台设备需要建立一个历史数据记录数据表，数据表的每一列数据类型和表示含义和数据类型通过该设备所属大类和子类所对应的数据描述表中的数据名称和数据类型属性确定。其中，设备I D 参考当前工厂的设备I D 表。数据表名称需要根据设备I D 确定，使用“?”字符代替。表5-6 设备状态数据存档表属性(7)产品加工数据存档表(d?p r o d u c t)记录每台设备采集到与生产节拍密切相关的产品相关数据，为节省数据存储空间，与变化较为频繁的设备状态信息分离存储。169、存储格式与设备状态数据存储表相似。(8)设备错误和事件纪录表(e v e n t l o g)纪录系统中每一台设备近期的错误报警和事件日志纪录。当设备状态改变或是有报警信号时插入数据库中。事件记录表以时间戳和设备编号为主键，存储错误等级与错误代码。错误代码与具体错误信息的对应关系可以由厂商定义或是参考机床使用手册中定义，在错误信息描述表(表5 7)中进行存储。表5 7 设备错误和事件纪录表属性(9)产品工序表存储工序产品数据，用于产品的生产管理和质量追溯。每种工序对应一个特定的加工或检测设备。产品编号通常通过R F I D 电子标签或是通过条形码在加工时扫描录入。4 9万方数据山东大学硕士学位170、论文3 视图设计由于生产数据存储于动态生成的表格中不易查找，通过视图设计，将基本表中动态生成的数据表格通过视图的方式呈现，方便于用户对于数据的访问。根据系统不同用户的使用需求，按照设备使用方、设备供应商、和产品客户方定义生产数据库视图。对于设备供应商，主要用于设备诊断和远程维护等。只关注监控数据中的设备运行数据于设备事件纪录。对于设备监控数据，首先从设备类型表中获取设备类型I D，再通过I D 查找相对应的数据描述表，通过连接设备监控数据描述表和设备历史数据纪录表或设备参数表，通过用户权限筛选监控数据中的设备相关数据，将相对应设备类型的数据描述表中的数据名称读取，从而建立适合设备供应商使用的设171、备参数视图和设备历史数据视图。对于设备事件纪录，可以通过事件记录视图获取设备的事件检测出现的错误。对于客户，主要关注产品信息，建立产品视图，通过过滤监控数据中的产品数据和工艺数据，纪录生产相关数据。对于设备使用方，是生产监控系统的主要使用方，需要管理生产、加工等信息，自行定义生产中采集的所有信息。在以上视图外建立生产管理视图，通过与企业其他数据库配合，完成排产、仓储管理等复杂的生产管控任务。(1)设备监控数据视图每个设备需要对应一个数据采集视图，主要为设备使用方提供设备数据的监控功能，通过权限等级进行划分。设备数据视图根据上文对于设备数据存档基本表、数据描述表、设备列表和设备类型表共同确定。首172、先，通过设备D 在设备列表中查找设备类型和子类型描述，通过设备类型查找设备监控数据描述表。其次，选取设各描述表中数据类型为设备生产数据的所有数据描述，获取其数据定5 0万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储义I D 和数据名称。最后，根据设备数据定义中提取的数据I D，在设备的历史存档数据纪录表中选取相应的数据I D 属性，将数据名称作为视图属性别名，完成设备生产数据视图的建立。视图的建立过程随着基本表的建立在数据库管理系统中自动完成。乒ID匪搴j E 1d 3 0 5 0 8 2 8 3 8 8 u 8 1 0 9所属部门权限数据最大长度用广权限图5 4 监控数据视图基本表关系图(2)远173、程诊断和故障视图远程诊断的故障视图可以供设备使用方和供应方用于对设备进行远程维护，包括错误的具体信息、设备的具体信息、设备负责人、设备供应商等信息，基本表依赖关系如图5 5。阿磊l 兰竺呈兰一匕=一广斗零i 设备I DI 设备类型表搴r 一时间硪”L 二=二一医品 飞i 磊F J秘类型”一竺竺!j i i 磊；j f 一。F K 错误号零子类型类型代号i；：磊一事件轾别广霉9。所属车间类型8 称案a 入每 僦黼息l 二车间I D 卜11 人员表车间代号车间名栋蛰雕负责人工号事件级别r-+o j譬，l 工号图5-5 故障报警视图基本表依赖万方数据山东大学硕士学位论文5 2 3 数据库管理应用程序174、设计由于生产数据库的基本表和视图需要根据现场设备的具体类型和结构动态建立，数据转换、组织入库都是费时费力的，为提高数据入库和配置的效率和质量，针对可配置数据库设计了数据库管理工具应用程序。数据管理工具有配置环境和运行环境两种运行模式：配置环境以图形化界面利用系统描述文件对数据库进行动态生成的设备类型和数据存储基本表与视图的建立，在系统改变时对数据库基本表和视图的动态更新，并完成静态数据录入和管理等基本功能；运行环境通过应用程序为所有的现场设备提供历史数据的存储服务，如图5-6 所示。图5-6 数据库管理应用程序功能不恿图1 数据库配置管理数据库配置管理用于通过系统描述文件生成新的生产工具新增车175、间、设备和设备类型、产品变更。在生产线发生变化时可以通过数据库管理工具对数据库进行修改和订制。更新设备类型监控数据定义，可以对指定设备的数据存储基本表和存储过程的修改进行实现。例如，当一个设备需要根据产品的变化而做出相应的调整时，借助数据库管理工具，修改设备的数据描述表和数据存储表，添加相应的监控变量，同时修改相关的监控视图，即可完成相应的修改。已有设备类型定义中增加监控变量时，通过管理工具只需一次操作就可以通过自动填充的三个S Q L 语句完成基本表的修改：首先在该设备类型和设备子类型描述表中添加(I N S E R T)万方数据第5 章生产监控数据实时显示与存储设备类型描述信息：其次，在设176、备表中完成查找(S E L E C T)所有同类设备的I D，通过l D 获取每一个设备都对应一个设备数据记录表，最后，依次根据设备I D 访问并修改每个同类设备的设各数据记录表，完成设备数据定义的修改(A L T E R)过程。2 历史数据动态存储过程在配置完成后，在运行状态下，按照系统描述文件中的车间定义，轮询各个车间的数据采集O P C 服务器地址空间的各个节点。通过系统描述文件中的设备描述中变量定义的顺序，通过连接监控服务器按照上节获取实时数据的方法读取服务器数据。关系型数据库数据存储在较低的存储速度的磁盘中，为保证数据的时效性，通过在内存中建立数据缓存队列结构，对采集到的数据进行累积177、和缓存，异步完成数据存储，从而提高数据存储过程的效率。数据采集时根据上文对数据分类的分别处理：对于变化较频繁的设备数据，直接将数据写入内存缓冲区队列。对于离散型产品数据，则是先对这一次采集到的数据与缓存区上一次采集的数据进行比较，只有当数据发生变化时，才将数据写入。当缓存区缓存数据到一定数目的数据后，通过数据库的存储过程，一次性将一组带有时问戳的设备监控数据存入数据库中。数据插入S Q L 语句通过访问数据交互运行时的O P Cu A 地址空间动态生成，如图5 7 所示。数据记录插入S O L 语句。5 3本章小结图5 7 数据插入S Q L 语句动态生成本章首先介绍了从监控数据交互模块获取监178、控数据的方法，并设计了组件化万方数据山东大学硕士学位论文可配置的监控界面对生产监控数据实时显示。其次通过对采集到的离散化的生产数据进行分析，将其分为静态与动态数据，利用M y S Q L 关系型数据库通过存储配置实现了一种可配置动态基本表生成和修改的监控历史数据存储结构。最后进对采集到的数据分为产品数据、设备数据和生产管理数据并通过设计数据库管理工具配置生成基本表视图满足的动态生成和数据存储过程以满足不同的生产线的差异化需求。万方数据第6 章原型系统测试与应用第6 章原型系统测试与应用6 1应用背景及需求简介本章以苏州某自动化设备公司制造的电子消费品组装检测设备作为监控对象。产品的质量标准和工179、艺水平的不断提高使客户对生产过程的管控和产品追溯的需求不断增多。同时公司为了设备能够在竞争激烈的非标自动化市场保持份额，迫切需要在设备上集成更高层次的远程维护和车间管控功能作为独有的卖点。在企业生产的设备上部署柔性车间数据采集和监控系统，使得组装检测线上各个厂商的异构设备可以快速接入，可以很好的满足上述需求。以公司手机零部件组装检测生产线设备为例，手机零部件体积小，形状复杂，对组装和检测精度要求高；更新换代的频率快，属于典型的小批量生产方式，每个客户的订单都需要分别处理，针对各类产品的需求，对设备进行订制或改装。公司如今每年需要针对3 至5 种手机零部件产品研发组装检测设备，设备研发和生产周期180、紧凑。手机零部件组装检测生产线针对手机产品前面板组件设计。生产主要工艺路线为：手机塑料框架与微型连接金属框架件组装、玻璃面板与塑料框架的点胶贴合组装、面板组合体气密性检测三个工序。各个工序所使用的设备分别为0 型圈检测机、零部件C G 组装机、P V A 玻璃点胶精确组装机、A L T 泄漏检测机这几种非标准自动化设备，如图6 1 所示。产品质量追溯中一项内容就是要通过对组装件气体泄漏的检测追溯玻璃点胶精确组装机流水线上所使用的治具，从而调查出治具加工误差对质量问题的影响。生产线设备使用P L C 主控，目前使用组态软件快速开发嵌入式触摸屏界面完成P L C 数据监视和设备参数与设备控制指令的181、下发。受组态软件功能限制，大量产品数据处理存储工作，例如产品检测中平面拟合等更高级应用，需要在设备安装工控机编写程序完成。工控机采集P L C 中的产品的关键检测数据和生产管理数据，以E x c e l 数据文件形式存储各个设备的数据，生产线每台设备上的数据通过传统的人工方式进行汇总。万方数据山东大学硕士学位论文图6-1 玻璃组装设备和A U 泄漏检测设备由于软件功能受限和对数据的处理效率较低，针对客户对产品质量管控的需求，在生产现场选取了一台P V A 玻璃点胶和精确组装机和A L T 检测机作为监控对象设备样机，进行柔性监控系统测试和验证。通过部署生产监控系统，从设备上采集所需要的数据并以182、数据库形式进行存储，开发相应程序使用数据库技术代替人工完成产品组装过程的生产追溯。6 2生产监控系统的配置过程6 2 1 现场设备和采集数据的分析玻璃点胶和精确组装机负责手机前玻璃面板与中间层塑料框架的黏贴和组装功能。玻璃与框架的组合通过特定的治具定位，玻璃、框架和治具都标有条码，通过在各个定位点安装扫码器获取生产追溯数据，在组装过程中通过触发开关信号触发条码各个扫描，通过机械手完成玻璃框架的精确组装。设备使用基恩士P L C 作为主控制器，通过I O 信号与触发开关、机械手和扫码器交握，完成组装流程控制。扫码器采集的条码通过R S 4 8 5 串行接V I 数据反馈回P L C 中存储，嵌入183、式触摸屏通过组态软件定义与P L C 通信完成机床参数设定和状态显示功能。万方数据第6 章原型系统测试与应用通过在P L C 通信模块串口加装串口联网D T U 模块，对D T U 模块进行配置完成设备的接入。由于扫描条码在流水线上完成，各个数据采集时间先后有一定的时序性，为保证组装过程各个条码一一对应，通过与企业电气部门协商，通过在P L C的D M 区开辟一段空间用于在每个装配周期定期更新生产追溯数据，选取的主要监控变量存储于P L C 上D M 软元件，如表6 1 所示：表6 1P V A 玻璃点胶精确组装机采集变量定义A L T 检测机机床组成为后侧的一个机械手取料送料装置和前端的8 184、个压紧机构，通过测量充气泄漏量完成对上一步组装体质量的检测。机械手从原料箱料盘中吸取待检测玻璃，依次完成产品定位和条码扫描工序，放入左右两个检测工位共八台检测仪表工位完成组合件气密性检测。检测完成后通过机械手将产品按照合格与否进行分拣筛选，并放入相应工位。主要逻辑控制由欧姆龙P L C 控制，机械手与P L C 通过I O 信号交握，由于泄漏检测A T E Q 仪表协议封闭不能和P L C直接通讯，需要通过上位机获取各个工位的泄漏检测数据，并通过串口与P L C 进行通信完成其他控制操作和显示。A L T 设备主要数据采集方式通过对原有上位机程序中进行扩展和开发，加入一个M o d b u s185、 协议转发功能模块，作为M o d b u s从站通过上位机网卡接口直接接入到监控系统中。对于A L l 7 泄漏检测设备，主要采集数据如表6-2 所示：表6 2A L T 泄漏检测机采集变量定义所有设备的产品信息输入通过扫码器扫描产品上的二维码通过P L C 发送I O万方数据山东大学硕士学位论文信号量自动完成，通过串口与P L C 或P C 进行连接，完成产品信息的录入。设备数据采样周期根据设备组装和检测的节拍确定，采样周期小于设备生产节拍，由于数据变化不连续，通过P L C 中将每次的检测数据进行缓存。其中，P V A 组装设备组装周期大约2 3 秒，采样周期定位1 0 秒，A L T 186、设备检测节拍6 4秒，采样时间定为3 0 秒。6 2 2 远程监控功能的配置根据上述变量定义，利用系统设计程序，依次添加设备类型信息和监控数据定义信息。通过D T U 模块配套软件扫描模块I P 地址，生成系统描述文件的定义，完成设备的建模，系统订制程序界面如图6 2。图6-2 系统配置工具利用数据库管理工具参照系统描述文件初始化数据库，生成基本的车间、设备、设备类型信息以及设备数据描述和数据存档纪录表，如图6 3 所示。然后导入工人信息、客户信息、班次信息，完成生产监控数据库的初步配置。通过数据库管理工具，在数据库中生成的基本表结构关系图如图6-4 所示。根据企业具体的质量追溯需求，在此基础187、上通过对数据库进行进一步修改定义生产数据的处理方法。具体方法为，根据具体的产品追溯需要，通过M y S Q LW o r k b e n c h 对数据库进行进一步定义，定义玻璃组装件数据表。以玻璃条码作为组装件标识和数据表主键，通过在玻璃框架精确组装机和气密性检测机设备数据存档记录表中玻璃条码数据列增加A F T E R I N S E R T 触发器，在组装机记录表数据插入后，将玻璃、5 8万方数据第6 章原型系统测试与应用框架、治具条码插入到产品数据表中，在泄漏检测机记录数据插入后，在生产记录表中加入查找已经存在的对应玻璃条码记录，通过U p d a t e 操作更新泄漏检测具体数值和结188、果。图6-3 数据库管理工具霭茹i 黧甏絷i 黼!|I 戮l i 麓纛自戮戮鬻慧i霉i 蘑篱；毒r。m。一日1，荔巍溺_ 溢镒i 蘩；!“州l i 州l I 蜘t t 岬触?锄哐张咖4 女”l i R o 懈：勘d 州L j!悱椭。州*。d 酬&啊1”爿1，k 州1 州t 2 v 娘。州罅)，r 州i”1 由1￥托F 8 型譬j。鲤譬拿恻4 5)J 1 h-w 培肄州：”爿j，一3 抛。喃R、螂 椭R。+唰)。、。；j 蠢撼豢?i 蔓每蕊。m 荔一w z“?一m*j 熹囊蚴囊i 囊委鳞鬻j，”。t“。一，。m t v m。w wi 篓零“有戮獭熬f；=篆：?鬻熏i ii，瓣藕藏巍瀛鬻：黧。=嚣189、一。，一i 薹豢i l”嬲，一：一。一j?。，：二。，辫鬻麓囊黪4 R，甜忡蚓玳蝴弱l 卅。一。“。”7 一一錾囊!睁j，强蔫j=：=：篓二，。一一o 颤鬻，囊：屯譬瑟卿?譬。咿1 1 _|翥=，。，f m。”“0 1*一一一m a 蠢茹。”(1 2，”1 1、鬻*i 舞i 蒸蒸鬻1。乏：i i 蠹i 蒸嚣爨溪燕燕塞n 鼬盯m!g 赫一、“、：黧：；霉紫鬻藁；釜鬻黪；囊!紫挚鞫“一jo 越美，i。一薯?豢“2 一：”，：嚣茎=。删繁翟。瀣一瑟誉鬟囊i 目M xv R o*(1一w 一、0 1 j I H 爵。：嚣耋兰!一“竺!?一：嚣黑篡。一i：篡蠹攀m m；篡翼n!i=：三筹”n“一一”：篡190、篓。篁一!l 竺翼曼i 一：黧。、一一一V m 一*，1 8 懈。州端。如蛾撕，删蛐邯仲m 呻；慧暑舅掣黑“。|，一州删4”篡=篇。i。荔鍪荔蓑囊荔蠹乏。荔i 荔基i 二?二；“i“*r 一黧r 一一“w m。1 耶4 7*。J，；。撕“m”埘i。#”o*+*4i图6 4 通过M y S Q LW o r k b e n c h 查看数据库配置工具生成的动态基本表启动车间设备数据交互运行时程序(图6 5)，载入系统描述文件，通过文件中的定义建立加载设备通信库，建立内存缓存数据结构并初始化O P C 服务器地万方数据山东大学硕士学位论文址空间。启动车间数据交互运行时程序，等待设备和监控终端的连接191、完成数据交互。服务程序主要用于数据的传输，具有一个用于系统管理员进行系统维护的事件记录查看面板，如图所示。数据交互服务程序运行后，最终生成包含监控变量基本定义的O P CU A 服务器地址空间可以通过标准的O P CU A 客户端通过订阅完成简单的数据显示和修改的监控功能。图6-6 为使用U a E x p e r t 商业O P CU A客户端软件连接服务器获取的信息。进行车间监控终端界面组件设计，车间监控终端通过与各个车间服务器建立会话创建订阅并绑定设备模型数据，管控终端界面通过与生产执行数据库连接，查询数据库中需要的数据。图6-5 基于O t 的车间设备数据交互服务程序主控界面万方数据第192、6 章原型系统测试与应用黼U n i f i e dA u t o m a t i o nU e E。p e r t-T h eO P CU n i f i e dA r c h i t e c t u r eC l i e n t图6-6 使用U a E x p e r t 软件浏览正在运行的设备数据交互服务器地址空间6 3监控系统的试运行6 3 1 实时监控功能车间界面用于查看车间中所有设备的运行状态和数据采集系统与设备通讯模块之间的通信状态，测试系统接入了两台设备，如图6 7 所示。A L T 泄漏检测机监控界面如图6-8 所示：每种类型的设备通过相同的监控界面显示，设备运行状态界面用于193、单独查看从一台设备采集到的运行数据、控制数据和设备报警数据，监视界面复杂查看设备当前的数据，参数控制页面负责控制与设备参数的下发。万方数据山东大学硕士学位论文图6 7 组件化现场监控终端界面图6-8 现场监控终端A L T 泄漏检测机远程监控界面6 3 2 生产监控历史数据的分析和应用1 远程设备状态检测和故障诊断系统的错误和报警信息通过选取数据库中的设备事件记录表显示各个设备的报警时间、设备序列号、错误代码、描述信息的相关数据，用于设备的远程维护，详细界面如图6-9 所示：万方数据第6 章原型系统测试与应用群可配置监虚终端一口车善臻号C 2 点整，磕菩壤毒一费等选i j 赢戳蠢爨辞串释母旱尊194、麓麓嚣裘置警2 0 1 髫2 11 0 2 44 0 1 0 0 0 3 40 0 0一萄霹蕞蔫鬃蔷固赫氟舞拄器走，零垂照裳熏0 3 0 32 0 1 5，1 2 埋 1 3 3 43 0 5 0 8 2 8 30 0 0 1蛩戈彰寰誓景量竞壤醴嚣囊夏；露籍哥毪妻鬻圭内0 3 1 22 钔“1 甜2 1 S0 23 0 5 0 8 2 8 38 鞠兢嚣九莓透掖警氍嚣耋芎奢撂茹富03122 0 1 6 I2，2 2 8：5 44 0 1 0 0 0 S 40 0 1 0饲筹皋舞震箸囱蔷蕞箍撼矩毪忑，谭量箍塑璺0 0 32 _ 0 16，1 2 2 21 e 2 44 0 1 0 0 0 3 40195、 0 1 0翻瓣蕞笼蕞警固雏幕妻 i 矩垃走簧耋蠹复美0 3 0 3慧舞警琵数5誊目警*鼗2l I 墨l E 四誊誊誊i 誊j图6-9 监控终端系统错误和报警界面2 产品质量追溯根据企业对于产品质量的相关需求，在生产监控终端基础上，进一步开发了产品质量管理程序，通过选取数据库中的生产数据中的产量信息对生产进行管理。根据所采集的框架、玻璃、治具条码信息与测量的泄漏量进行结合，在数据库中通过泄漏测试设备数据存档基本表的玻璃条码与泄漏测量结果，与组装机存档数据中的相同的玻璃条码进行连接，最终可以通过统计各个治具组装泄露量的历史数据报表，通过产品合格率追溯组装治具对最终产品的影响，如图6 1 0 所示196、。6 4本章小结本章首先介绍了手机产品线产品质量追溯的需求，通过分析现场设备和产品工艺路线，对柔性监控系统在设备样机上进行应用做了详细说明，并针对具体的需求对系统监控终端做了开发。经过验证，该试验平台具备了车间设备监控和产品质量追溯的基础需求。在新设备接入或系统修改时，通过配置和软件复用比较快速的完成监控系统的开发，从而验证了监控平台的有效性，能够满足小批量定制化非标自动化设备监控和生产管理的需求，具备很好的市场前景。万方数据山东大学硕士学位论文图6-1 0 监控数据产品生产追溯应用实例万方数据第7 章总结和展望7 1工作总结第7 章总结和展望本文针对以3 c 行业为代表的小批量多种类离散制造197、系统中的柔性车问监控需求，对面向智慧工厂的柔性可配置生产线监控技术进行了研究。通过系统设计模块对监控系统中数据交互处理模块、数据存储模块、显示控制终端三个部分的配置，为面向智慧工厂的生产过程自动化提供了车间设备监控系统快速开发和重构的一种实现方法。最后通过在手机零部件生产线设备样机进行测试，验证了监控系统的功能和快速开发的特性。论文的主要创新性和意义如下：(1)通过对行业设备和通信技术的分析整理，基于X M L 构建系统描述，形成可重用通信库和界面组件库，满足了对定制化生产监控系统数据交互、存储和显示控制层面快速开发的需求。(2)对O P CU A 标准体系结构进行了研究，通过生产线信息模型在198、O P CU A规范中地址空间映射，实现生产任务数据、监控数据和产品质量追溯数据在生产线自动化控制层和生产管理层之问的实时大量传输。(3)通过研究生产监控数据库和数据应用关键技术，通过设计数据库存储管理工具，实现了对离散生产监控数据库的动态配置和监控数据灵活存储。7 2研究展望系统虽然已经在离散制造生产设备上进行了试验验证，但由于时间和条件所限，目前只在小范围部分控制终端上进行T N 试，尚未进行大规模生产监控，大量生产数据，长时间运行的测试。(1)可定制系统虽然实现了企业小型生产设各的车间设备联网监控数据交互的基础功能和快速配置功能，但是整个生产监控功能面对大型生产线中复杂多样的设备类型和更199、多的高级监控需求目前尚无法满足。进一步完善和规范生产系统描述和系统配置功能，提高其易用性和兼容性，增加更多监控功能。(2)生产执行数据库插入和查询过程未进行大数据量、长时间存储访问的6 S万方数据山东大学硕士学位论文稳定性测试，在数据量较大时性能会有所下降，未来可以引入数据库存储结构优化和改善数据库索引方法对数据库进行优化。万方数据参考文献参考文献【1 Z u e h l k eD S m a r t F a c t o r y-T o w a r d saf a c t o r y,o f-t h i n g s J A n n u a lR e v i e w si nC o n t r 200、o l，2 0 1 0，3 4(1)：1 2 9 1 3 8 2】张曙工业4 0 和智能制造【J 机械设计与制造工程，2 0 1 4，4 3(8)：1-5 3 赵雪松，赵晓芬机械制造技术基础【M】武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 6 4 孙柏林未来智能装备制造业发展趋势述评 J】自动化仪表，2 0 1 3，3 4(1)：1 5 5 R a d z i w o nA，B i l b e r gA，B o g e r sM，e ta 1 T h eS m a r tF a c t o r y：E x p l o r i n ga d a p t i v ea n d f l e x i b l201、 e m a n u f a c t u r i n gs o l u t i o n s J P r o c e d i a E n g i n e e r i n g，2 0 1 4，6 9：1 1 8 4 1 1 9 0 6 董永贵，李庆祥精密测控与系统【M 北京：清华大学出版社，2 0 0 5【7 M a l h o t r aV，R a jT，A r o r aA E x c e l l e n tt e c h n i q u e so f m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s：R M Sa n dF M S J I n t e r n a 202、t i o n a lJ o u r n a lo fE n g i n e e r i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，2 0 1 0，2(3)：1 3 7 1 4 2 8 S c h t R zD，S c h r a u f s t e t t e rM，F o l m e rJ，e ta 1 H i g h l yr e c o n f i g u r a b l ep r o d u c t i o ns y s t e m sc o n t r o l l e db yr e a l-t i m ea g e n t s：2 0 1l203、I E E E1 6 t hC o n f e r e n c eo nE m e r g i n gT e c h n o l o g i e s&F a c t o r yA u t o m a t i o n(E T F A)，2 01l【C】I E E E 9 Z u r a w s k iR I n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t e ds y s t e m s M C R CP r e s s，2 0 1 6 1 0 王华，刘枫基于F D T 与O P CU204、 A 的设备集成研究 J】微计算机信息，2 0 0 9(1 2)：1 9 2 1 11 支l J 丹自动控制系统的设备集成技术一一E D D L 与F D T D T M J 仪器仪表标准化与计量。2 0 0 8(3)：9-11 1 2 郑珂，徐艳群，张斌基于F D T 与O P CX M L 的工业控制系统集成研究【J】计算机测量与控制，2 0 1 0(8)：1 8 0 5 1 8 0 7 1 3 L a n g eJ，1 w a n i t z F，B u r k e T J O P C：F r o m D a t a A c c e s s t o U n i f i e d A r c205、 h i t e c t u r e M 4 V D E V e r l a g，2 010 1 4 M a h n k eW o l f g a n g，L e i t n e rS t e f a n H e l m u t，D a m mM a t t h i a s，等O P C 统一架构6 7万方数据山东大学硕士学位论文 M】北京：机械工业出版社，2 0 1 2【1 5 G r u n e rS，P f r o m m e rJ，P a l mF AR E S T f u le x t e n s i o no fO P CU A：2 0 1 5I E E EW o r l dC o206、 n f e r e n c eo nF a c t o r yC o m m u n i c a t i o nS y s t e m s(W F C S)，2 0 15 C I E E E【1 6】姜宇基于M T C o n n e c t 的数控机床监测系统研究【D】济南：山东大学，2 0 1 2【1 7 V i j a y a r a g h a v a n A，D o r n f e l d D A u t o m a t e d e n e r g y m o n i t o r i n g o f m a c h i n e t o o l s J C I R PA n n a 207、l s M a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g y，2 010，5 9(1)：21 2 4 18 D i r kS c h u l zR B DJ B e h i n dt h eF a g a d e E f f i c i e n tS o i t w a r eD e v e l o p m e n tw i t hO P CU A：2 015I E E E2 0 t hC o n f e r e n c eo nE m e r g i n gT e c h n o l o g i e s&F a c t o r yA u t o m a t208、 i o n(E T F A)，L u x e m b o u r g，L u x e m b o u r g，2 0 1 5 C】8 1 1S e p t 2 0 1 5【1 9 S c h u l zD F D Ia n dt h eI n d u s t r i a lI n t e r n e to fT h i n g s：2 0 1 5I E E E2 0 t hC o n f e r e n c eo nE m e r g i n gT e c h n o l o g i e s&F a c t o r yA u t o m a t i o n(E T F A)，2 0 1 5 209、C I E E E【2 0 1 5 E 霞网络管理接口适配方法及实现技术【D 北京：北京邮电大学，2 0 0 4【2 1 1 马晓风，赵艳领，韩丹涛基于O P CU A 通用数据采集模块设计 刀仪器仪表标准化与计量，2 0 1 5(0 6)：2 6 2 7【2 2 邢涛，王侃侃，张华良，等一种O P CU A 数据服务网关装置及其实现方法：中华人民共和国发明2 0 1 4 1 0 8 3 5 8 8 6 1 2 0 1 6 0 7 2 7【2 3】袁云龙基于组态软件的P L C 控制系统仿真实现 J】自动化仪表，2 0 0 6，2 7(5)：5 7-5 8【2 4 1 t 克亮监控组态软件的相210、关技术发展趋势 J】山东工业技术，2 0 1 5(1)：1 8 5【2 5】李朝辉基于构件复用技术的组态模型及平台研究【D 大连：大连理工大学，2 0 0 5【2 6】王辛辛，陈云，闫如忠，等基于W e b 的机电设备远程监控系统的实现 J】计算机工程，2 0 0 5，31(0 2)：2 31 2 3 3【2 7 L e eSC，J e o nTG，H w a n gH，e ta 1 D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rb a s e d m o n i t o r i n gs y s211、 t e mf o rs m a r tf a c t o r y M C o m p u t a t i o n a lS c i e n c ea n dI t sA p p l i c a t i o n s I C C S A2 0 0 7 S p r i n g e r，2 0 0 7：5 8 4 5 9 2【2 8 S c h l e i p e nM，L t i d e rA，S a u e rO，e ta 1 R e q u i r e m e n t sa n dc o n c e p tf o rP l u g a n d W o r k J a t-A u t o m a212、 t i s i e r u n g s t e c h n i k，2 0 1 5，6 3(1 0)：8 0 1-8 2 0 万方数据参考文献 2 9】S c h o l lMV，R o c h aCR E m b e d d e dS C A D Af o rS m a l lA p p l i c a t i o n s J I F A C P a p e r s O n L i n e，2 0 1 6，4 9(2 1)：2 4 6-2 5 3【3 0 H o d e kS，S c h l i c kJ A dh o cf i e l dd e v i c ei n t e g r a 213、t i o nu s i n gd e v i c ep r o f i l e s，c o n c e p t sf o ra u t o m a t e dc o n f i g u r a t i o na n dw e bs e r v i c et e c h n o l o g i e s：P l u g&P l a yf i e l dd e v i c ei n t e g r a t i o nc o n c e p t sf o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s e s：2 0129 t hI n t 214、e r n a t i o n a lM u l t i-C o n f e r e n c eo nS y s t e m s，S i g n a l sa n dD e v i c e s(S S D)，2 0 1 2 C I E E E【3 1 沈熠跨协议设备远程监控系统的设计与实现 D】上海：上海大学，2 0 1 4 3 2 桑静，王宜怀基于X M L 文件组织的嵌入式监控组态软件设计 J 计算机系统应用，2 0 1 3(0 1)：1 3 4 1 3 7【3 3】D a y a lA，D e n gY，T b a i l e hA，e ta i V S C A D A：Ar e c o215、 n f i g u r a b l ev i r t u a lS C A D At e s t-b e df o rs i m u l a t i n gp o w e ru t i l i t yc o n t r o lc e n t e ro p e r a t i o n s：2 015I E E EP o w e r&E n e r g yS o c i e t yG e n e r a lM e e t i n g 2 015 C 1 I E E E【3 4 B a l a n iR，H a nC，R e n g a s w a m yRK，e ta 1 M u l t i-l216、 e v e ls o f t w a r er e c o n f i g u r a t i o nf o rs e n s o rn e t w o r k s：P r o c e e d i n g so f t h e6 t hA C M&I E E EI n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nE m b e d d e ds o f t w a r e，2 0 0 6 C A C M【3 5 1T 珊，萨师煊数据库系统概论 M】4 北京：高等教育出版社，2 0 0 6【3 6 张海梁，袁荣湘，孙婉胜数据库访问中间件技术在S C A217、 D A 数据库系统中的应用 J 电网技术，2 0 0 5，2 9(1 7)：5 8 6 2【3 7】肖乾，吴林峰，王中庆可重构产品工艺数据库的研究与开发 J】组合机床与自动化加工技术，2 0 0 5(0 3)：8 1 8 3。【3 8】徐蕾，姚金辉，赵嵩正，等非标设备制造企业生产管理系统研究 J】现代制造工程，2 0 11(1 0)：1 8 2 2【3 9】王加兴离散制造车间数据采集及其分析处理系统研究与开发 D】杭州：浙江大学，2 0 1 0【4 0】万峰，刘检华，宁汝新，等面向复杂产品离散装配过程的数据采集和管理方法 J】计算机集成制造系统，2 0 1 2，1 8(0 8)：1 8 1 218、9 1 8 2 8【41 L i uZH，G a w l i c kD M a n a g e m e n to fF l e x i b l eS c h e m aD a t ai nR D B M S s O p p o r t u n i t i e sa n dL i m i t a t i o n sf o rN o S Q L 一：C o n f e r e n c eo ni n n o v a t i v ed a t a万方数据山东大学硕士学位论文s y s t e m sr e s e a r c h，2 0 1 5 c 【4 2 t 光基于c 撑的监控组态软件开发【D 219、哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 1 2【4 3 W a n gL M a c h i n ea v a i l a b i l i t ym o n i t o r i n ga n dm a c h i n i n gp r o c e s sp l a n n i n gt o w a r d sC l o u dm a n u f a c t u r i n g J C I R PJ o u r n a lo f M a n u f a c t u r i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y，2 0 1 3，6(4)：2 6 3 2 7 3【220、4 4 G o n gX，T r o g hJ，B r a e tQ，e ta 1 M e a s u r e m e n t-b a s e dw i r e l e s sn e t w o r kp l a n n i n g，m o n i t o r i n g，a n dr e c o n f i g u r a t i o ns o l u t i o nf o rr o b u s tr a d i oc o m m u n i c a t i o n si ni n d o o r f a c t o r i e s J I E T S c i e n c e，M e a s221、 u r e m e n t&T e c h n o l o g y，2 0 1 6，1 0(4)：3 7 5 3 8 2【4 5】刘明周，曹飞面向产品的工艺数据数字化管理建模【J 计算机辅助设计与图形学学报，2 0 0 5，1 7(1)：1 3 7-1 4 2 4 6 1 李瑞民设备监控技术详解【M 北京：机械工业出版社，2 0 1 3【4 7 B l a n c h e t t eJ，S u m m e r f i e l dM C+G U Ip r o g r a m m i n gw i t hQ t4【M P r e n t i c eH a l lP r o f e s s i o222、 n a l，2 0 0 6【4 8 N i k i e lPP，F a m h a mB，F i l i m o n o vV，e ta 1 G e n e r i cO P CU AS e r v e rF r a m e w o r k：J o u r n a lo f P h y s i c s：C o n f e r e n c eS e r i e s，2 0 1 5 C 1 I O PP u b l i s h i n g 4 9 P a l mF，G r u n e rS，P f r o m m e rJ，e ta 1 O p e ns o u r c ea se n a b 223、l e rf o rO P CU Ai ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n：2 0 15I E E E2 0 t hC o n f e r e n c eo nE m e r g i n gT e c h n o l o g i e s&F a c t o r yA u t o m a t i o n(E T F A)，2 0 1 5 C 1 I E E E 5 0 T e a n o v i 6A，N y s t r 6 mD，H a n s s o nJ，e ta 1 A s p e c t sa n dc o m p o n e n t si 224、nr e a l-t i m es y s t e md e v e l o p m e n t：T o w a r d sr e c o n f i g u r a b l ea n dr e u s a b l es o f t w a r e J J o u r n a lo fe m b e d d e dc o m p u t i n g，2 0 0 5，1(1)：1 7-3 7【51 L e wR，B o r i n gRL，U l r i c hTA Ap r o t o t y p i n ge n v i r o n m e n tf o rr e s e a r c ho 225、nh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e si np r o c e s sc o n t r o lu s eo fM i c r o s o f tW P Ff o rm i c r o w o r l da n dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t：2 0147 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nR e s i l i e n tC o n t r o lS y s t e m s(I S226、 R C S)，2 0 1 4 C I E E E 万方数据攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况参加科研情况：【1】2 0 1 5 2 2 0 1 5 8：参与重卡桥壳试验研究监控系统开发的生产线仿真和前期监控系统设计工作【2 2 0 1 5 8 2 0 1 6 9：参与面向智慧工厂的智能可重构生产线控制平台关键技术研发的监控平台设计研发工作万方数据万方数据致谢致谢三年的硕士课题研究中，有很多人给了我很多的帮助和支持，首先感谢我的导师张承瑞教授，其对知识孜孜不倦的追求和对工作的认真态度以及严谨求实的治学精神，为我的学术学习和个人成长提供了很多帮助，令227、我受益终生。感谢山东大学数控技术研究中心的胡天亮副教授给予的鞭策和鼓励，在项目上指点困难的解决思路，在研究过程中也给了我在企业接触实际项目的机会，在论文上给出了宝贵的改进意见。在此向课题组各位导师表达我深深地敬意和感激。感谢实验室的孙好春博士、叶瑛歆博士和仲斐师兄在技术上给我的指导：感谢陪伴了三年的室友，感谢同实验室的王全、林宝同学、李宝超师弟以及其他在学习和生活上提供了支持和帮助的各位同学和朋友。在我外出实习的过程中，感谢公司李长江工程师和其他同事在项目研发中提供的工程技术和工作上的帮助。感谢实习企业领导在我的项目系统研究和测试过程中提供的人员协助安排和测试设备支持。感谢公司为我提供的饮食和228、住宿安排。最后，特别的感谢我的父母和家人，感谢他们多年来对我的鼓励、关心和厚爱，是他们在物质上、生活上和精神上给予我莫大的帮助，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学业。感谢所有在研究中指导和帮助我的人。课题研究过程中参考了G i t H u b 社区相关项目作者分享的程序设计的思路和技巧，受益于所有参考文献中作者的研究工作，在此表示由衷的感谢。万方数据学位论文评阅及答辩情况表专业技术是否博导总体评价姓名所在单位职务(硕导)，、论哥复殳孝泼、多山东建敖久孚B砭已盘、赫：文爱旅擞口山童久蒙A、评7 乏已这黔阅人专业技术是否博导姓名所在单位职务(硕导)主席寸复=L放旋旧山末建锭久浆彳之抓硼受煮欲是山主久茧放口7-J 司艮教授接山东久誊辩委贝委会成贝员答辩委员会对论A答辩秘书耥答辩日期扮J 7 1-。加文的总体评价备注优秀为“A”：合格为B：不合格为“C”。万方数据