面向智慧工厂的柔性数据采集监控系统的研究

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IEC-62541标准与平台无关的OPC统一架构(Unified Architecture，UA)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OPC UA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。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OPC UA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。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 设备集成与数据交换技术标准现状

1．2．2 异构设备数据采集与监控技术现状

1．2．3 柔性数据存储技术现状

1．3 论文研究内容和结构说明

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 生产监控系统基本需求

2．1．2 针对小批量多种类快速生产的新需求

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

2．2．2 系统硬件通信方案选取

2．2．3 系统软件架构设计

2．3 本章小结

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

3．1．2 数据对象映射地址空间设计

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

3．2．2 监控变量描述

3．2．3 变量组描述

3．2．4 设备类型和子类型描述

3．2．5 设备信息描述

3．2．6 车间和生产线描述

3．3 监控系统的文件描述

3．3．1 可配置需求分析

3．3．2 设备描述库构建

3．3．3 系统描述文件

3．4 本章小结

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

4．1．2 设备通讯协议分类和抽象

4．2 设备数据交互设计

4．2．1 设备联接：多级动态并行应答机制

4．2．2 数据处理：开放式协议驱动库

4．2．3 数据映射：高效数据处理内核

4．2．4 事件驱动队列机制

4．3 基于OPC UA的远程数据访问接口设计

4．3．1 数据接口标准的选取

4．3．2 OPC UA地址空间设计

4．3．3 与上层应用的数据交互接口

4．4 本章小结

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

5．1．2 OPC UA客户端数据获取接口定义

5．2 历史生产监控数据的存储

5．2．1 离散化生产数据存储的分析

5．2．2 可配置生产监控数据库设计

5．2．3 数据库管理应用程序设计

5．3 本章小结

第6章 原型系统测试与应用

6．1 应用背景及需求简介

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

6．2．2 远程监控功能的配置

6．3 监控系统的试运行

6．3．1 实时监控功能

6．3．2 生产监控历史数据的分析和应用

6．4 本章小结

第7章 总结和展望

7．1 工作总结

7．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况

致谢